‘양자 얽힘 모뎀’을 통한 통신 지연 제거 가능성

February 23, 2024

Alan Yoon

독일의 이론 물리학자이자 1932년 노벨상 수상자인 베르너 하이젠베르크(Werner Heisenberg)가 과속 주행으로 경찰에게 단속을 당했을 때의 일화입니다.

경찰: “지금 시속 75마일로 달리고 계셨다는 걸 알고 계십니까?"

하이젠베르크: “좋아요, 그렇다면 이제 여기가 어딘지 모르겠군요.”

우스운 이야기지만, 양자역학은 우리가 우주와 우리 자신, 현실 자체를 바라보는 방식을 바꾸어 놓았고, 양자역학의 예측은 항상 옳다는 것이 증명되고 있으며, 뉴턴과 상대론적 사고를 가진 사람들에게는 혼란을 가져왔습니다.

_{(출처: greenbutterfly - stock.adobe.com)}

이 모든 것을 이해하기 위해, 다섯 가지 새로운 법칙을 아우르는 ‘SEDEC’이라는 약어를 만들었습니다. SEDEC은 중첩(Superposition), 아인슈타인-보스 응축(Einstein-Bose condensate), 이중성(Duality), 얽힘(Entanglement), 붕괴(Collapse)의 머리글자를 딴 것입니다. 이상하게 보이지만 실험실 실험을 통해 우주와 현실의 이러한 직관적이지 않은 특성이 확인되고 있습니다.

관측자가 현실에 영향을 미칠 수 있는 부분은 수십 년 전에 증명되어 지금은 널리 알려진 양자 행동(quantum behavior)에서 찾을 수 있습니다. 예를 들어, 중첩은 사물이 서로 다른 장소에 동시에 존재한다는 것을 말합니다. 이중 슬릿 실험은 우리가 입자를 관찰할 때 입자가 다르게 행동한다는 것을 보여줍니다. 관찰자는 현실을 효과적으로 붕괴시키고 파동 거동(wave behavior)을 입자 거동(particle behavior)으로 바꿉니다.

양자역학의 가장 이상한 예측 중 하나는 아인슈타인을 괴롭혔던 것입니다. 그는 이를 원거리에서의 으스스한 행동이라고 불렀습니다. 우리는 이를 ‘양자 얽힘(quantum entanglement)’이라고 부릅니다. 양자 얽힘은 광자, 전자 또는 이온이 얽힐 수 있으며, 이들 중 하나에 어떤 작용이 가해지면 은하계 규모의 거리로 떨어져 있어도 다른 것들에 영향을 미친다는 것을 의미합니다(그림 1). 이것은 빛의 속도, 즉 광속의 장벽을 깨는 것처럼 보이기 때문에 아인슈타인이 그토록 괴로워했던 이유를 짐작할 수 있습니다. 여러 실험을 통해 얽힘이 실재할 뿐만 아니라 이 양자 효과를 생성, 재현, 증명, 정량화할 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 2022년에 알랭 아스펙트(Alain Aspect), 존 클라우저(John Clauser), 안톤 자일링거(Anton Zeilinger)는 얽힌 입자를 이용한 획기적인 실험으로 노벨 물리학상을 수상했습니다. 수상자들이 개발한 실험 도구는 새로운 양자 기술의 물결을 일으킬 토대를 마련할 것으로 기대됩니다.

_{그림 1. 이론적으로, 어마어마하게 멀리 떨어져 있는 얽힌 입자는 변조 및 복조를 통해 지연 시간 없이 상대방과 통신할 수 있습니다. (출처: Jon Gabay)}

현재 연구자들은 비트 대신 큐비트(qubit)를 사용하여 이전에는 풀 수 없었던 방정식을 푸는 양자 컴퓨터를 개발하고 있습니다. 노벨 재단은 “개별 입자 시스템의 특수한 특성을 활용하여 양자 컴퓨터를 구성하고, 측정을 개선하고, 양자 네트워크를 구축하고, 안전한 양자 암호화 통신을 구축하기 위한 집중적인 연구와 개발이 진행되고 있다"고 밝혔습니다.

아공간 모뎀(subspace modem)이라는 아이디어를 밴드 뮤지션의 합주 연습에 적용한다면, 각 뮤지션들이 같은 연습 공간에 있지 않아도 합주 연습을 할 수 있다는 결론을 얻을 수 있습니다.

밴드 멤버들이 서로 다른 장소에 있을 때 합주 연습 때 양자 얽힘 모뎀(quantum entangled modem)을 어떻게 사용할 수 있는지 이론적인 예를 들어 보겠습니다. 얽힌 입자를 생성할 수 있고(실험을 통해 가능성 입증됨), 얽힌 입자를 스트림으로 전송하거나 보낼 수 있으며(실험을 통해 가능성 입증됨), 얽힌 입자를 순간이동할 수 있다면(실험을 통해 가능성 입증됨), 각 뮤지션에게 개별 반송파 주파수를 사용하는 얽힘 모뎀을 제공하여 다른 뮤지션으로부터 오는 신호를 복조하는 동시에 우리 고유의 신호로 얽힌 입자를 변조할 수도 있습니다(그림 1 참조). 각 뮤지션은 자신만의 얽힌 모뎀을 갖게 되며, 지연 시간이 더 이상 문제가 되지 않으므로 마치 같은 연습실에 있는 것처럼 서로의 소리를 들을 수 있습니다.

바로 여기서 양자 컴퓨팅을 위한 큐비트 연구가 이루어집니다. 전자와 이온은 자기 버블에 갇힐 수 있고, 심지어 광자도 보스-아인슈타인 응축액에 갇힐 수 있습니다. 또한 실리콘 기반 트랩은 얽힐 수 있는 큐비트를 수용할 수 있다는 것이 입증되었습니다. 특히 최근 미 해군의 상온 초전도 특허에 비추어 볼 때, 전체 프로세스는 시스템이나 칩에서 이루어질 수 있습니다. 따라서 값비싸고 부피가 큰 극저온 냉각 시스템이 필요 없습니다.

실현 가능 여부를 떠나, 초저지연 통신 링크의 꿈은 다른 애플리케이션에도 장밋빛 미래가 될 수 있습니다. 예를 들어 화성 탐사선의 실시간 제어 및 데이터 수집이 유용할 수 있습니다. 차세대 보이저호와 같은 원거리 탐사선은 지구에서 더 멀리 날아가더라도 출력을 점점 더 높이지 않아도 지구와 통신할 수 있습니다. 우리는 이제 막 그 가능성을 파악하기 시작했습니다.