양자 얽힘이 아인슈타인의 국지적 인과관계를 산산조각낸다: 컴퓨팅과 암호화의 미래

작성자: ETH Zurich2023년 5월 11일

ETH 취리히 연구원들은 초전도 회로를 사용하여 허점 없는 벨 테스트를 수행하여 양자 역학을 확인하고 아인슈타인의 국소 인과성 개념을 반증했습니다. 이번 발견은 분산 양자 컴퓨팅과 양자 암호화의 가능성을 열어줍니다.

ETH 취리히 연구원들은 멀리 떨어져 있는 양자 역학 물체가 기존 시스템에서 가능한 것보다 훨씬 더 강하게 서로 상관될 수 있음을 입증하는 데 성공했습니다. 이번 실험에서는 처음으로 초전도 회로를 사용했다.

두 초전도 회로 사이의 30미터 길이 양자 연결의 일부 섹션. 진공관(중앙)에는 약 –273°C로 냉각되고 두 개의 양자 회로를 연결하는 마이크로파 도파관이 포함되어 있습니다. 출처: ETH Zurich / Daniel Winkler

ETH 취리히의 고체 물리학 교수인 안드레아스 월라프(Andreas Wallraff)가 이끄는 연구원 그룹은 알베르트 아인슈타인이 양자 역학에 대응하여 공식화한 "국소 인과성" 개념을 반증하기 위해 허점 없는 벨 테스트를 수행했습니다. 멀리 떨어져 있는 양자 역학적 물체가 기존 시스템에서 가능한 것보다 훨씬 더 강하게 상호 연관될 수 있음을 보여줌으로써 연구원들은 양자 역학에 대한 추가 확인을 제공했습니다. 이번 실험에서 특별한 점은 연구진이 강력한 양자컴퓨터 구축에 유망한 후보로 꼽히는 초전도 회로를 이용해 처음으로 실험을 수행할 수 있었다는 점이다.

벨 테스트는 1960년대 영국의 물리학자 존 벨(John Bell)이 사고 실험으로 처음 고안한 실험 설정을 기반으로 합니다. 벨은 물리학의 거장들이 이미 1930년대에 논쟁했던 질문을 해결하고 싶었습니다. 일상의 직관에 완전히 반대되는 양자역학의 예측이 맞는지, 아니면 전통적인 인과관계 개념이 원자 소우주에도 적용되는지, 알버트 아인슈타인이 믿었던 것처럼?

이 질문에 답하기 위해 Bell은 동시에 두 개의 얽힌 입자에 대해 무작위 측정을 수행하고 이를 Bell의 부등식과 비교하여 확인할 것을 제안했습니다. 아인슈타인의 국지적 인과관계 개념이 사실이라면 이러한 실험은 항상 벨의 부등식을 만족시킬 것입니다. 반면 양자역학에서는 이를 위반할 것으로 예측하고 있다.

30미터 길이의 양자 연결 섹션 내부의 모습. 거의 절대 영도까지 냉각된 알루미늄 도파관(중앙)이 두 양자 회로를 연결합니다. 여러 층의 구리 차폐층이 열복사로부터 도체를 보호합니다. 출처: ETH Zurich / Daniel Winkler

1970년대 초, 지난해 노벨 물리학상을 수상한 존 프란시스 클라우저(John Francis Clauser)와 스튜어트 프리드먼(Stuart Freedman)이 최초의 실용적인 벨 테스트를 실시했습니다. 두 연구자는 실험을 통해 벨의 부등식이 실제로 위반된다는 사실을 증명할 수 있었습니다. 그러나 그들은 먼저 실험을 수행할 수 있으려면 실험에서 특정한 가정을 세워야 했습니다. 따라서 이론적으로는 여전히 아인슈타인이 양자역학에 회의적이었다는 것이 옳았을 수도 있습니다.

그러나 시간이 지남에 따라 이러한 허점 중 점점 더 많은 구멍이 닫힐 수 있습니다. 마침내 2015년에 다양한 그룹이 최초의 허점 없는 벨 테스트를 수행하는 데 성공하여 마침내 오랜 논쟁이 해결되었습니다.

연구진은 30미터 길이의 양자 연결을 효율적으로 냉각하기 위해 자체 저온 유지 장치를 개발했습니다. 이는 양자링크 중간에 설치된다. 출처: ETH Zurich / Daniel Winkler

Wallraff 그룹은 이제 새로운 실험을 통해 이러한 결과를 확인할 수 있습니다. 유명 과학저널 네이처(Nature)에 게재된 ETH 연구진의 연구 결과에 따르면 이 주제에 대한 연구가 7년 전 최초 확인에도 불구하고 아직 마무리되지 않은 것으로 나타났습니다. 여기에는 몇 가지 이유가 있습니다. 우선, ETH 연구원들의 실험은 초전도 회로가 광자나 이온과 같은 미세한 양자 물체보다 훨씬 크더라도 양자역학의 법칙에 따라 작동한다는 것을 확인시켜 줍니다. 초전도 물질로 만들어져 마이크로파 주파수에서 작동하는 수백 마이크로미터 크기의 전자 회로를 거시적 양자 물체라고 합니다.

Before the start of each measurement, a microwave photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"photon is transmitted from one of the two superconducting circuits to the other so that the two circuits become entangled. Random number generators then decide which measurements are made on the two circuits as part of the Bell test. Next, the measurement results on both sides are compared./p>

After evaluating more than one million measurements, the researchers have shown with very high statistical certainty that Bell's inequality is violated in this experimental setup. In other words, they have confirmed that quantum mechanics also allows for non-local correlations in macroscopic electrical circuits and consequently that superconducting circuits can be entangled over a large distance. This opens up interesting possible applications in the field of distributed quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"quantum computing and quantum cryptography./p>