순간이동 가능할까?

스타트랙 ㅡ순간이동

언제 어디서든 원하는 장소로, 순간이동이 가능할까?
SF영화에서나 나오는 공상과학이 아닐지도 모릅니다.
양자역학에서 이 순간이동은 이론적으로는 가능한 기술입니다.

양자역학은 고전역학으로 설명되지 않는 현상으로
거시적으로는 관측이 어렵지만 액체가 아닌 고체의 성질,
즉 물질로 이해하면 가능한 것으로,
서로 떨어져 있는 물체가 힘과 운동을 받았을때
어떤 운동을 하게되는지 밝히는 이론입니다

1905년 아인슈타인은 빛의 에너지가 양자(광자)로 구성되어 있다는 가설을 세우고 광전효과를 설명하는데요,
<광전효과>는 금속등의 물질이 <한계진동수> 보다 <큰 진동수>를 가진 에너지인 <전자기파>를 흡수했을 경우,
전자를 내보내는 현상으로 이때 방출 ,나오는 전자가 <광전자>라고 합니다.
이것은 빛에 의해 방출되는 전자이기 때문에 광전자가 됩니다.

아인슈타인 ㅡ광전효과

1927년 하이젠베르크는 불확정성 원리를 설명합니다.
위치-운동량에 대한 불확정성 원리이며,
위치와 운동량을 동시에 정확히 측정할 수 없다는 것을 뜻합니다.
위치가 정확하게 측정될수록 운동량의 퍼짐(또는 불확정도)은 커지게 되고
반대로 운동량이 정확하게 측정될수록 위치의 불확정도는 커지게 된다는 원리입니다.

1940년에 양자전기역학이 성립됩니다.
가장 간단한 형태로는 전하를 가진 디랙 입자(전자등)와 광자의 상호작용을 다루며, 자연스럽게 여러 특색의 디랙 입자와 여러 특색의 스칼라 입자 (중간자등), 벡터 입자(W보존)로 확장할 수 있다는 미시세계의 원리가 성립됩니다.

 

• 불확정성의 원리

위치-운동량에 대한 불확정성 원리이며,
위치와 운동량을 동시에 정확히 측정할 수 없다는 것을 뜻합니다.
위치가 정확하게 측정될수록 운동량의 퍼짐(또는 불확정도)은 커지게 되고
반대로 운동량이 정확하게 측정될수록 위치의 불확정도는 커지게 된다는 원리입니다.

불확정성의 원리

 

• 양자 중첩

가장 근본적인 양자 현상으로, 둘 이상의 양자 상태가 확률적으로 공존하는 상태를 말한다.

최근 미래의 컴퓨터 기술로 자주 언급되는 양자 컴퓨터는 바로 0과 1의 상태를 넘어서는 중첩을 활용하는 대표적인 개념이다. 양자 컴퓨터에서는 하나의 비트가 동시에 0과 1을 갖는 것을 허용한다. 이것을 퀀텀 비트(quantum bit)라고 하며, 줄여서 큐비트(qubit)라고 한다. 큐비트는 0과 1의 상태가 중첩되어 있어서 관측하는 순간 0 또는 1로 결정된다. 따라서 2개의 큐비트만으로 00, 01, 10, 11을 나타낼 수 있다.

 

• 양자 얽힘

다른 입자와 멀리 떨어져 있는 한 입자의 특성이 변할 때 순간적으로 동시에 다른 입자에 영향을 미치는 현상을 양자얽힘이라고 한다. 특히 양자 순간이동에는 멀리 떨어진 두 개의 입자가 관여하는데 세 번째 입자가 즉시 두 개의 얽힌 입자에 상태를 전송하는 것이다
그리고 그 즉시, 하나의 입자를 둘로 쪼개서 아주 먼 거리에 위치시키더라도 한 쪽의 스핀(spin) 방향이 정해지면 동시에 다른 쪽의 스핀 방향이 반대로 정해지는 현상을 말한다.

양자 얽힘 현상 ㅡ다른쪽 스핀방향은 반대로 움직임이 나타난다

1. 양자통신

 

빛의 최소 단위인 광자에다가 정보를 실어서 보내는 기술입니다.
이론적으로는 해킹이 불가능하고 정보전달 속도도 굉장히 빠릅니다.
만약 이게 상용화 된다면 금융, 안보 분야에서도 혁신을 일으킬 수 있겠죠.

1997년 오스트리아의 <안톤 차일링거> 교수 연구진은
세계 최초로 광자를 전송하고, 복사까지 하는 양자통신 실험에 성공했습니다.
교수진은 이론적으로나 가능한 양자통신이 실제로 가능하다는 것을 증명한 셈이죠.

2009년에는 메릴랜드대학 물리학 연구진이 세계 최초로 1미터 거리의 양자 순간이동에 성공했고
2012년 <안톤 차일링거> 교수 연구진은 143km떨어진 거리까지 양자 순간이동을 성공시킵니다.
이것은 실제로 물리적으로 아무런 연결이 없이 서로 떨어져 있는 공간에서 순간이동하듯
양자 정보를 이동 시킨 겁니다.

정보를 빛보다 빠르게 어디든지 이동가능해질 수도 있다는 얘기입니다.
즉 양자통신 기술이 순간이동의 핵심 원리가 되는 겁니다.
그렇다면 지구에서든, 우주에서든 공간이동이 가능하다는 의미입니다

세상 모든 물질은 원자로 이루어져 있죠.
인간의 몸도 원자 단위로 분해해서 양자 정보를 이동시킨다는 원리입니다
이때 <양자 원격 전송>이라는 기술을 사용합니다.

양자통신 전격 진행중 ㅡ중국이 해킹이 원천적으로 불가능한 양자암호통신을 이용해 가장 먼 거리까지 신호를 주고받는 데 성공했다. 중국이 세계 최초로 양자암호통신 위성을 쏘아 올린 데 이어 최장거리 통신에 성공하면서 양자통신 분야에서 미국을 제치고 주도권을 갖게 됐다는 평가가 나온다.중국 허페이 과학기술대 판젠웨이 교수 연구진은 양자통신 실험위성 무쯔(墨子&amp;middot;사진)호를 이용해 칭하이 더링하 기지와 1200㎞ 떨어진 윈난 리장 기지에 양자 얽힘 상태의 광자(빛 알갱이)를 전송하는 데 성공했다고 영국 가디언 등이 2017년6월18일 전했다. 양자암호통신은 광자 하나에 정보를 실어나르는 통신기술이다. 광자 하나에 1비트(bit) 정보를 보내는데 이 신호를 딱 한 번만 해석할 수 있다. 신호가 무작위로 생성되기 때문에 보내는 사람과 받는 사람이 한 번 신호를 주고받는 방식을 정하면 다른 사람은 절대 열어볼 수 없다. 해커가 들키지 않고 정보를 가로채려면 송신자가 보낸 똑같은 신호를 복제해 보내야 하지만 한 번 열어본 정보는 깨지기 때문에 해킹 시도가 즉각 발각된다. 송신자와 수신자 외에는 해석이 불가능해 해킹에서 자유로운 꿈의 통신 기술로 불린다.2017

 

2. 양자 원격 전송

 

양자 원격 전송은 측정되기 이전 상태의 양자 정보를
보내려고 하는 위치에다가 똑같이 재현하는 기술입니다.
마치 컴퓨터 파일 하나를 복사해서 붙여넣기 하듯이, 입자 하나의 정보를 복사해서
다른 장소에 붙여넣기 하는 거랑 비슷합니다.
이것은 분명히 물질이 A에서 B까지 움직이는 고전역학적인 움직임이 아닙니다.

이 전송의 원리를 정확하진 않아도 쉬운 예로 들면 이런겁니다
전혀 구별할 수 없게 사이즈나 색상등이 완벽하게 똑같은 두 개의 통이 있습니다.
두 통 안에는 양자적으로 얽혀있는 양자공이 각각 들어있는데 통 안의 양자공은 검은색 아니면 흰색입니다.
그리고 통을 열어보기 전까지는 통 속을 절대 볼수 없죠.

통속의 양자공은 <양자얽힘> 되어있기 때문에 한쪽에서 검은색이 나오면 다른쪽에서는 흰색이 나오게 됩니다.
통을 열어보기 전까지는 어느쪽이 흰색이고 어느쪽이 검은색인지 모르는 상황이죠
즉 두가지 색이 중첩되어 있는 겁니다.

검은색과 흰색이 중첩되어 있다가 관측하는 즉시 중첩 상태가 붕괴되어서
검은색 혹은 흰색으로 하나의 상태가 결정되겠죠 이것이 <양자붕괴>입니다.
검은색과 흰색을 0과 1이라고 할때 2진법이죠.

일반적인 컴퓨터는 비트단위로 처리하는 반면에 양자컴퓨터는
0과 1의 상태를 동시에 갖는 큐비트 단위로 처리하고 저장합니다
검은색공을 X1이라고 하고 서울에 있고, 흰색공을 X2라고 하고 부산에 있다고 치면,
관측을 통해서 한 쪽의 정보가 정해지면 다른 한쪽의 정보가 정해지는 것을 얽혀 있는 정보라고 하고
이런 두 양자의 관계를 우리는 <양자얽힘>이라고 합니다.

뚜껑을 열기 전에 공은 검은색, 흰색이 결정되지 않은 상태가 뒤섞여 존재합니다.
뚜껑을 열어보기 전까지는 절대 모른다ㅡ이건 동시에 엉켜있는 기묘한 상태네요.
여러 가능성을 동시에 갖는 성질을 양자중첩이라고 합니다.
마치 검은색과 흰색이 얽히면 회색도 보이는 중간색이 있게되죠.
관측하는 동시 중첩 상태가 붕괴돼서 검은색 아니면 흰색으로 상태가 결정되죠

양자얽힘 ㅡ>양자중첩 ㅡ>양자붕괴 상황에서
뚜껑을 열고 서울에 있는 검은색공을 먼저 발견했다면, 나머지 부산의 공은 흰색공이 되겠죠,
그러면 세번째 흰색공으로,부산의 공과 같은색으로 붙여넣기 합니다.
서울에서 부산으로 이동한게 아니라 복사해서 붙여넣기 한 것이기 때문에 2개의 공은 흰색으로
즉시 같은색으로 유지가 되는 원리입니다. 그리고 검은색공은 없어지고 말죠

물리학 관점에서 모든 물질은 표준모형에 따라 스핀, 질량, 전하량 3가지 정보로만 구별되고
이 정보가 모두 같다면 완벽하게 같은 물질로 판단합니다.
색깔, 모양, 구성물질이 전부 다 똑같은 이런 물질을 구분할 수가 없죠.
세포 하나 하나가 전부 똑같고 키도 몸무게도, 생긴것도 ㅡ
그리고 생각하는 것도 똑같은 사람이 갑자기 생긴다면ㅡ

양자 텔레포테이션은 양자역학에서 흔히 양자얽힘이라고 알려져 있다. 다른 입자와 멀리 떨어져 있는 한 입자의 특성이 변할 때 순간적으로 동시에 다른 입자에 영향을 미치는 현상을 양자얽힘이라고 한다. 특히 양자 순간이동에는 멀리 떨어진 두 개의 입자가 관여하는데 세 번째 입자가 즉시 두 개의 얽힌 입자에 상태를 전송하는 것이다.과학자들은 지난해 빛 알갱이라고 부르는 광자(光子)가 물리적으로 연결돼 있지 않은 상태에서도 컴퓨터 칩 사이에서 정보를 전달할 수 있다는 사실을 확인했다. 연구팀은 이번에는 전자들 사이에서도 텔레포테이션이 가능하다는 것을 보여줬다.2020년 6월

입자물리학에서 이 정보가 완벽히 일치하면 2개체를 동일하다고 판단합니다.
그래서 원본의 정보를 원거리에 복사하고 원본을 지운다면 이것은 순간이동이라고 할 수 있겠습니다.
그러면 과연 사람도 이 방식으로 순간이동을 할 수 있는가?

전문가들은 이렇게 말합니다
양자원격 전송을 하려면 양자 쌍둥이를 만들어야 된다, 광자나 원자처럼 간단한 입자라면 쉽겠지만
하이젠베르크의 불확정성 원리에 따라 불가능하다

슈퍼컴퓨터보다 1000배 이상 빠른 양자컴퓨터가 나온다고 해도
사람을 순간이동 시키는 것은 사실상 불가능하다.