Feb 12, 2016 3, Edwin Cartlidge, physicsworld.com

수년 동안 물리학자들은 동일한 입자들의 양자 얽힘을 어떻게 정량화할 것인가에 대해 논쟁을 벌이고 있다. 그런 가운데 이탈리아의 두 이론물리학자들이 (입자들이 하나의 나눠질 수 없는 전체로 함께 고려되는 한) 동일하지 않은 입자들에 보통으로 적용되는 공식을 이용하여 이 과제를 해결할 수 있음을 보였다. 이들은 이번 연구 결과가 본질적으로 동일한 입자들의 양자 얽힘 관계를 이용하는 양자 정보 처리를 개선할 수도 있다고 말한다.

양자 얽힘은 순전히 양자 역학적 프로세스로 둘 이상의 입자들이 고전 물리학에서 허용되는 것보다 훨씬 긴밀한 관계를 갖는 것으로, 얽힘 관계에 있는 어느 한 쪽의 양자 상태를 측정하면 그 즉시 나머지 입자(들)의 양자 상태를 확정지을 수 있는데, 입자들이 아무리 멀리 떨어져 있어도 즉시 그렇게 된다.
  

예를 들어 양자 얽힘 관계에 있는 한 입자의 고유 각운동량(스핀) 방향이 업(up)이면, 다른 입자의 방향은 (아무리 멀리 떨어져 있어도 그 즉시) 자동적으로 다운(down)이 된다. 그리고 두 입자가 임의의 축(axis) 방향으로 스핀 업/다운 및 스핀 다운/업 상태가 같은 주기(frequency)로 반복 측정되는 경우를 “최대로 얽혀있다”(maximally entagled)고 하고, 어느 쪽이든 한 쪽의 측정 결과가 다른 쪽과 차이가 나면 양자 얽힘 정도가 1보다 작다고 말한다.

임의의 양자 시스템에서의 얽힘 관계를 정량화하기 위하여 물리학자들은 폰노이만(Von Neumann) 엔트로피라고 알려진 고전 물리에서의 엔트로피 개념을 양자 역학적으로 확장하여 계산한다. 그러나 지금까지 이 시도는 동일하지 않거나 구분 가능한 입자들에 적용하는 것으로 제한되었다. 가령 전자와 양성자를 한 묶음으로 구성하는 경우처럼 임의의 두 입자라고 하더라도 서로 다른 타입이라면 동일하지 않은 것이며, 혹은 (전자와 전자, 또는 양성자와 양성자처럼) 같은 타입의 입자들이라고 하더라도 공간적으로 충분히 서로 떨어져 있어서 양자 파동함수가 중첩되지 않는다면 역시 동일하지 않은 것으로 본다.

한편 물리학자들은 동일한 입자들 간의 양자 얽힘을 정량화하는 방법에 동의할 수 없었다. 여기서는 입자들이 파동함수가 중첩될 수 있을 정도로 가까이 있는 경우인데, 연속적인 측정 결과가 얽힘 관계에 있는 어느 특정 입자에 대한 것이라고 말하는 것이 불가능하다. 달리 말하자면 양자 얽힘 정도를 고려해야 하는데 두 입자들 간의 고유 양자 상관성이 애매해진다는 것이다. 팔레르모(Palermo) 대학의 로사리오 로 프랑코(Rosario Lo Franco)에 따르면, 동일한 입자의 얽힘 관계를 정량화하려는 시도는 기술적으로 서툴면서도 직관적으로도 와 닿지 않는 그런 상태이며, 늘 같은 결과가 나오지도 않는다고 한다.
  

최근의 연구에서 로 프랑코(Lo Franco)와 같은 팔레르모 대학 동료 지우세페 콤파뇨(Giuseppe Compagno)는 동일한 입자들에 대해서도 폰노이만 공식을 사용하는 것이 가능함을 보였다. 이를 위해서 동일한 입자들에 1 과 2, 또는 A와 B처럼 인위적으로 비(非) 물리적(unphysical) 라벨을 붙이지 않도록 했다.대신 두 입자를 ‘어느 한 입자의 물리량으로 표현되는 파동함수에 의해 설명되는’ 하나의 엔티티(entity)로 고려했다.

이렇게 함으로써 연구원들은 얽힘 상태 입자의 타입(type)과 분리(separation)효과를 정량화할 수 있었다. 이들은 서로 반대가 되는 스핀과 부분적으로 중첩되는 파동함수를 갖는 두 입자가 가까이 있을수록 보다 더 얽히는 것을 발견했으며, 얽힘의 정도도 정수 스핀값을 갖는 보존(boson) 입자인지 혹은 반정수 스핀값을 갖는 페르미온(fermion) 입자인지에 의존됨을 발견했다. 그리고 서로 반대의 스핀값을 갖는 두 입자가 공간상의 같은 점(하이젠베르크의 불확정성 원리에서 제시되는 한도 내에서)에 있으면 입자 타입에 상관없이 완전 얽히는 것도 발견했다.
  

이러한 특성은 연구원들이 말하는 “얽힘 게이트”(entangling gates)가 생성되는 것을 허용한다. 즉, 얽힘 게이트에서는 서로 반대의 스핀값을 갖는 입자들이 서로 가까이 갈수록 보다 더 얽히게 되고, (공간의) 같은 위치에 있게 되면 완전하게 얽히는 것이다. 연구원들은 이러한 디바이스가 지난해 미국 콜로라도 대학의 물리학자들에 의해서 증명되었다고 지적한다. 콜로라도 대학에서는 서로 반대의 스핀 상태인 두 루비듐(rubidium) 원자들을 광학적 가위(optical tweezers)로 가까이 가져가 완전하게 얽힘을 보였다.
로 프랑코(Lo Granco)와 콤파뇨(Compagno)는 동일한 입자들은 항상 ‘동일하지 않은 입자들이 같은 양자 상태에 놓였을 때처럼’ 최소한의 양자 얽힘 관계를 갖는 것도 발견했다. 따라서 양자 얽힘 기반의 양자 정보 시스템에서는 동일한 입자들을 사용하는 것이 그렇지 않은 경우보다는 효율적이라고 한다.

독일 울름(Ulm) 대학의 나탄 킬로란(Nathan Killoran)은 동일한 입자들 간의 양자 얽힘 관계에 대한 이러한 아이디어가 단순히 수학적 계산 결과가 아니라 이미 일부 물리학자들이 그렇게 주장하고 있다고 한다. 
  

출처 :: http://blog.naver.com/hansyoo/220628558689