# 양자 얽힘

## 개요

**양자 얽힘**(Quantum Entanglement)은 양자역학에서 가장 독특하고 직관에 반하는 현상 중 하나로, 두 개 이상의 입자가 서로 멀리 떨어져 있어도 하나의 양자 상태로 연결되어 있는 상태를 말한다. 이 상태에서 각 입자의 물리적 성질(예: 스핀, 위치, 운동량 등)은 개별적으로 결정되지 않으며, 한 입자의 상태를 측정하면 다른 입자의 상태가 즉각적으로 결정된다. 이 현상은 알베르트 아인슈타인이 "멀리 떨어진 장소에서의 유령 같은 작용"(spooky action at a distance)이라고 표현할 정도로 논란을 불러일으켰다.

양자 얽힘은 고전 물리학의 국소성(locality)과 실재성(realism) 개념과 충돌하며, 양자 정보 과학, 양자 암호화, 양자 컴퓨터 등 현대 기술의 핵심 기초로 여겨진다.

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## 이론적 배경

### 1. EPR 역설과 양자 얽힘의 등장

양자 얽힘은 1935년 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein), 보리스 포돌스키(Boris Podolsky), 네이선 로젠(Nathan Rosen)이 공동으로 발표한 논문에서 처음 체계적으로 다뤄졌다. 이들이 제시한 **EPR 역설**(Einstein-Podolsky-Rosen Paradox)은 양자역학이 "완전한" 이론이 아니라는 주장을 담고 있었다.

EPR은 다음과 같은 사고 실험을 제안했다:
- 두 입자가 상호작용한 후 멀리 떨어져 있다고 가정하자.
- 양자역학에 따르면, 이 두 입자는 얽힌 상태에 있을 수 있으며, 한 입자의 위치나 운동량을 측정하면 다른 입자의 상태가 즉각적으로 결정된다.
- 그러나 이는 정보가 빛의 속도를 초과하여 전달되는 듯 보이며, 이는 상대성 이론과 모순된다.

이에 따라 EPR은 양자역학이 국소적 실재론을 만족하지 못하므로 불완전하다고 주장했다.

### 2. 벨의 부등식과 실험적 검증

1964년 존 스튜어트 벨(John Stewart Bell)은 **벨의 부등식**(Bell's Inequality)을 제시하여, 국소적 실재론과 양자역학의 예측이 서로 다름을 수학적으로 증명했다. 벨의 부등식은 국소적 숨은 변수 이론(local hidden variable theory)을 따르는 모든 이론이 만족해야 하는 조건을 제시한다.

이후 여러 실험(예: 앨런 아스펙트(Alain Aspect)의 1980년대 실험)을 통해 벨의 부등식이 위반됨이 확인되었으며, 이는 양자 얽힘이 실제로 존재하며 국소적 실재론이 성립하지 않음을 시사한다.

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## 양자 얽힘의 특성

### 1. 비국소성 (Non-locality)

얽힌 입자 쌍 중 하나를 측정하면, 다른 입자의 상태가 즉각적으로 결정된다. 이 과정에서 정보가 빛의 속도를 초과하는 듯 보이지만, 실제로는 **고전적인 정보 전달이 불가능**하므로 상대성 이론을 위반하지 않는다. 얽힘을 이용해 메시지를 전송하려면 여전히 고전적 통신 채널이 필요하다.

### 2. 측정 의존성

얽힌 시스템의 상태는 측정 전까지 확률적으로 존재하며, 측정 행위가 상태를 "붕괴"시킨다. 예를 들어, 두 전자의 스핀이 얽혀 있을 때, 하나의 전자에서 스핀이 "위"로 측정되면, 다른 전자는 반드시 "아래"로 측정된다(총 스핀이 0인 싱글렛 상태 가정).

### 3. 얽힘의 지속성과 소멸

얽힘은 외부 환경과의 상호작용(예: 데코히어런스, decoherence)에 의해 쉽게 소멸될 수 있다. 따라서 실험적으로 얽힘을 유지하고 조작하려면 극저온, 진공, 전자기 간섭 차단 등 정밀한 조건이 필요하다.

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## 응용 분야

### 1. 양자 통신

- **양자 키 분배**(Quantum Key Distribution, QKD): BB84 프로토콜 등에서 얽힘을 활용해 도청이 불가능한 암호 키를 생성한다. 도청 시 얽힘이 깨지므로, 보안성이 근본적으로 보장된다.

### 2. 양자 컴퓨터

- 큐비트(qubit) 간의 얽힘은 양자 병렬성과 양자 알고리즘(예: 쇼어 알고리즘, 그로버 알고리즘)의 핵심 요소다.
- 얽힘을 통해 여러 상태를 동시에 처리할 수 있으며, 고전 컴퓨터로는 불가능한 계산을 수행할 수 있다.

### 3. 양자 텔레포테이션

- 얽힘을 이용해 한 위치의 양자 상태를 다른 위치로 전송하는 기술. 물질 자체가 이동하는 것이 아니라, **정보 상태**가 전송된다.
- 이 과정에서도 고전적 통신이 필수적이다.

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## 관련 개념

| 개념 | 설명 |
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| **데코히어런스** | 양자 시스템이 환경과 상호작용하면서 양자적 특성(예: 얽힘)을 잃는 현상 |
| **Bell State** | 두 큐비트의 가장 기본적인 얽힌 상태 (예: \(\frac{|00\rangle + |11\rangle}{\sqrt{2}}\)) |
| **CHSH 부등식** | 벨의 부등식의 실험적 변형으로, 얽힘 검증에 널리 사용됨 |

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## 참고 자료 및 관련 문서

- Einstein, A., Podolsky, B., & Rosen, N. (1935). "Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?". *Physical Review*.
- Bell, J. S. (1964). "On the Einstein Podolsky Rosen Paradox". *Physics*.
- Aspect, A. et al. (1982). "Experimental Test of Bell's Inequalities". *Physical Review Letters*.
- Nielsen, M. A., & Chuang, I. L. (2010). *Quantum Computation and Quantum Information*. Cambridge University Press.

### 관련 위키 문서
- [양자역학](양자역학)
- [양자 컴퓨터](양자_컴퓨터)
- [양자 텔레포테이션](양자_텔레포테이션)
- [데코히어런스](데코히어런스)

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양자 얽힘은 여전히 활발한 연구 대상이며, 양자 중력 이론, 양자 정보 이론, 우주론 등 다양한 분야에서 그 의미와 함의가 탐구되고 있다. 이는 단순한 이론적 기이함을 넘어, 미래 기술의 핵심 인프라로 자리 잡을 가능성이 높다.