우리가 순간이동을 하는 것이 가능하게 될까요? - 사잔 사이니(Sajan Saini)

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순간이동이 가능할까요? 야구공이 라디오 전파 같은 것으로 바뀐 후, 건물을 통과하고, 모퉁이들을 튀어 돌아, 다시 야구공으로 변할 수 있을까요? 이상하게 들릴지 모르지만, 이에 대한 정답은 아마도 '그렇다'입니다...비슷하게는 가능합니다. 그 내용을 사잔 사이니가 설명합니다.

강의: 사잔 사이니(Sajan Saini)
애니메이션: 캐롯 애니메이션(Karrot Animation)

순간 이동이 가능할까요?

야구공이 마치 전파와 같은
형태로 변형된 후

건물 속을 통과하고

모퉁이를 돌아

야구공으로 다시 바뀌는 게 가능할까요?

말이 안되는 것 같지만, 양자역학 덕분에
이에 대한 대답은 ‘그렇다’ 입니다.

비슷하게는 가능해요.

비결을 알려드리죠.

야구공 그 자체는
전파로 보낼 수 없지만

그 공에 대한 모든 정보는
보낼 수 있습니다.

양자물리학에서 원자들과 전자들은

눈에 띄는 여러 성질들의
조합으로 해석 됩니다.

예를 들면, 위치

운동량

고유 스핀 같은 성질입니다.

이러한 성질들에 대한 값이
입자들에 특성을 부여하고

양자상태의 특성을 결정합니다.

두 개의 전자가
같은 양자 상태를 갖고 있는 경우

그들은 동일하다고 여겨집니다.

이런 맥락으로 보면 야구공은
공을 구성하는 많은 원자들이 이루는

하나의 양자 상태로 정의될 수 있죠.

만약, 이 양자 상태에 대한 정보를
보스턴에서 기록한 뒤에

전 세계로 보내면

동일한 원소를 이루는 원자들에
이 정보들을 입력하는 작업을

방갈로르에서 한 다음에

이 원자들을 조심스럽게 조립하면

완전하게 동일한 야구공을
만들 수도 있습니다.

그런데 한 가지 문제가 있죠.

양자 상태는 측정하기가
쉽지 않습니다.

양자물리학에서 언급되는
불안정성의 원리에 따르면

어떤 입자의 위치와 운동량은

동시에 측정할 수 없습니다.

전자의 정확한 위치를 측정하는
가장 간단한 방법은

광자라 불리는 빛의 입자를
전자에서 튀어나오게 한 다음

현미경을 통해서 그 빛을
회수하는 것 입니다.

하지만 광자를 튕겨내는 과정이
전자의 운동량을 예측 불가능하게 바꾸고

이미 알고 있던 운동량 정보가
모두 손실되어 버립니다.

이처럼, 양자 상태의 정보는
너무나 민감해서

그 정보를 측정하는 것만으로도
정보가 바뀌어 버립니다.

그렇다면 훼손시키지 않고는
읽을 수도 없는 것을

어떻게 전송할 수 있을까요?

그 정답은 양자얽힘이라는
신기한 현상에서 찾을 수 있습니다.

양자얽힘은 양자물리학의 초창기부터
계속되어 온 오래된 미스테리로서

아직도 완전히 밝혀내지 못했습니다.

두 전자의 스핀을 얽히게 만들면

거리가 떨어져 있어도
서로 영향을 미칩니다.

그 중 하나의 전자의 스핀을 측정하면

나머지 한 전자의 스핀 또한
알 수 있게 됩니다.

이 두 전자가 1마일 떨어져 있든
1광년 떨어져 있든 상관없습니다.

데이터 큐빗이라고 불리는
첫 번째 전자의 양자 상태에 대한 정보는

공간 너머로의 전송 없이도
상대 전자에 영향을 줍니다.

아인슈타인과 그의 동료들은
이 신비로운 의사 소통을

원격에서 일어나는
소름 돋는 현상이라고 불렀습니다.

두 입자 간의 얽힘 현상으로

둘 사이의 공간 너머로 큐빗을
순식간에 전송할 수 있을 것 같지만

여기에는 문제가 있습니다.

이러한 상호작용은 가까이에서
시작되어야 한다는 것이지요.

두 개의 전자들이 가까이에서
먼저 얽혀 있어야만

둘 중 한 전자를 새로운 장소로
이동시킬 수 있습니다.

양자얽힘 자체만으로는
순간이동을 완성하기에 부족하죠.

순간이동을 완성하려면

수신 장소에서의 큐빗 해석에 필요한
디지털 데이터가 필요합니다.

바로 첫 번째 입자를 측정 할 때
만들어진 2 비트의 데이터입니다.

이러한 디지털 비트는 기존의
전통적인 매체를 통해서 전달되는데

이 때에는 빛, 전파, 전자파 혹은
광섬유에 의한 속도적 제약이 생깁니다.

이런 디지털 데이터를 얻기 위해서
어떤 입자를 측정하려 되면

그 입자의 양자 정보는 파괴됩니다.

따라서 보스톤에서 야구공이 사라져야만

방갈로르로 순간이동할 수 있지요.

불확정성의 원리 덕분에

순간이동으로 야구공에 대한 정보를
다른 도시로 전달할 수는 있지만

그것을 복제하는 것은 불가능합니다.

따라서 이론적으로는 물체나
심지어 사람을 순간 이동시킬 수 있지만

현재로서는 큰 물체를 구성하는
수억 조 개 이상의 원자들의

양자상태를 측정하는것은
불가능해 보이며

다른 곳에서 그 물체를
재구성하는것도 힘듭니다.

이 작업에 들어가는 에너지와
그 복잡성은 천문학적입니다.

현재 우리는 단 하나의 전자와 원자를
안정적으로 순간이동시킬 수 있으며

덕분에 미래의 양자컴퓨터들은

극도로 안전하게 데이터를
암호화시킬 수 있을 것 입니다.

양자 순간이동의
철학적인 의미는 미묘합니다.

순간이동된 물체는

공간 너머로 유형의 물질이
실제로 이동하는 것이 아니고

무형의 정보가 공간을 너머
전송되는 것도 아닙니다.

이 둘의 중간이라고 할 수 있죠.

양자 물리학은 우리에게
새로운 시각을 제시하여

우주를 하나의 취약한 정보들의
덩어리로 보게 합니다.

그리고 양자이동은 이런 취약성에
영향을 주는 새로운 방법을 제시합니다.

그리고 기억해두세요,
절대 불가능은 없습니다.

100년이 조금 넘는 시간 동안

인류는 원자 단위에서 전자의 움직임을

새롭게 이해하는 것에서 출발하여

다른 곳으로 전자를 안정적으로
순간이동 시키는 데까지 발전했습니다.

1,000년 혹은 10,000년 후에는

이런 현상들에 대해서
어떤 새로운 기술을 알게 될까요?

오직 시간과 공간만 알겠지요.