상상해봅시다. 물리적으로 멀리 떨어진 두 전자가 있다고 할 때, 한 입자와의 상호작용이 즉각적으로 다른 입자의 행동을 바꿀 수 있을까요?
양자역학적으로 이는 가능합니다. 두 전자는 얽힘(entanglement) 상태에 있다고 합니다.
얽힘과 양자 상태
예를 들어, 두 큐비트(qubit)가 있다고 합시다. 각각의 큐비트는 스핀 업(ket ↑) 또는 스핀 다운(ket ↓) 상태에 있을 수 있습니다.
이 두 큐비트로 이루어진 시스템에서는 다음 네 가지 상태가 가능합니다:
- 둘 다 스핀 다운 (Ket 0, 0)
- 둘 다 스핀 업 (Ket 1, 1)
- 첫 번째 스핀 다운, 두 번째 스핀 업 (Ket 0, 1)
- 첫 번째 스핀 업, 두 번째 스핀 다운 (Ket 1, 0)
얽힘 상태의 생성
중첩 이론에 따르면, 이 네 가지 상태의 조합 또한 가능한 상태입니다. 여기서 특정한 얽힘 상태를 고려해봅시다. 예를 들어, 두 큐비트가 둘 다 스핀 업이거나 둘 다 스핀 다운인 상태만 포함된 중첩을 생각할 수 있습니다.
첫 번째 큐비트를 측정하여 0 값을 얻으면, 두 번째 큐비트도 0일 것이라고 주장할 수 있습니다. 이는 첫 번째 큐비트를 측정했을 때 파동 함수가 Ket 0, 0 상태로 붕괴되기 때문입니다.
이런 방식으로 두 큐비트는 서로 멀리 떨어져 있어도 상호 연관성을 가지며, 한 큐비트의 측정이 다른 큐비트의 상태를 즉각적으로 결정짓습니다. 이것이 바로 **얽힘(entanglement)**입니다.
얽힘의 중요성
얽힘은 양자 컴퓨팅에서 매우 중요한 역할을 합니다. 이는 원자 내 전자와 같은 자연적으로 발생하는 시스템을 효율적으로 모델링하는 데 필요하며, 양자 통신 프로토콜 개발에도 사용됩니다. 예를 들어, 얽힘을 사용하면 하나의 큐비트만 보내더라도 두 개의 고전적 비트를 전송하는 것이 가능합니다.
이와 같은 얽힘 현상은 양자역학이 가진 독특하고 놀라운 특성을 보여주며, 우리가 고전적 직관으로는 이해하기 어려운 새로운 가능성을 제시합니다.