양자역학이 말하는 초 공간 전이-순간이동

 

 

초 공간 전이란 말 그대로 공간을 초월해서 이동하는 현상을 말한다.

흔히들 초능력 관련해서 많이 다뤄지는 내용이기도 하다. 하지만, 지금은 양자역학의 관점에서 이야기해보겠다.

순간이동을 과학적으로 접근하기란 쉬운 일은 아니다. 아직까지는 증명할 수가 없기 때문이다. 하지만, 이론적으론 얼마든지 가능하다는 것은 과학계에서도 인정되는 일이다.

 

양자 텔레포트

공간이동을 양자역학적으로 설명하자면, 먼저 양자역학의 불확정성의 원리, 양자 중첩, 양자 얽힘을 알아야 한다.

'불확정성의 원리는 미시세계에서 입자의 위치를 측정하면 운동량을 모르게 되고, 운동량을 측정하게 되면, 위치를 모르게 된다. 양자 중첩은 상자 속에 양자 동전이 있다고 가정하면 이 상자를 열어보기 전까지는 앞면과 뒷면이 동시에 존재한다. 즉, 앞면과 뒷면이 확률적으로 50대 50으로 중첩되어있다. 뚜껑을 열어 관측하기 전 까지는 이 동전이 앞면으로 나올지 뒷면으로 나올지는 절대로 알 수 없다. 그런데 관측하는 순간, 이 동전은 앞면, 또는 뒷면으로 하나의 상태로 결정된다. 양자 얽힘은 서로 상호작용했던 두 입자가 아무리 멀리 떨어져 있어도 한쪽의 상태가 결정되는 즉시 다른 한쪽의 상태도 즉시 결정된다.'는 아주 이상한 현상이다.

 

양자통신

양자통신은 빛의 최소 단위인 광자에다가 정보를 실어서 보내는 기술이다.  이론적으로는 해킹이 불가능하고 정보 전달 속도도 굉장히 빠르다. 만약 이게 상용화된다면 금융, 안보 분야에서도 혁신을 일으킬 수 있다.

그러니까 지금의 통신 기술보다 훨씬 진보된 통신기술인 거다. 1997년 오스트리아의 안톤 차일링거 교수 연구진은 세계 최초로 광자를 전송하고, 복사까지 하는 양자통신 실험에 성공했다. 안톤 차일링거 교수진은 이론적으로나 가능한 양자통신이 실제로 가능하다는 것을 증명한 셈이다. 그리고 2009년에는 메릴랜드 대학의 물리학 연구진이 세계 최초로 1미터 거리의 양자 순간이동에 성공했고, 2012년 안톤 차일링거 연구진은 143 킬러 미터 떨어진 거리까지 양자 순간이동을 성공시켰다.

이것은 실제로 물리적으로 아무런 연결이 없는 공간에다가 손오공이 순간이동을 하듯 양자 정보를 이동시킨 것이다. 

이 기술이 향후에 더욱 발전하게 되면 정말로 시간 공간의 구애를 받지 않고 지구, 아니 우주 어디든 정보를 빛보다 빠르게 이동시키는 것이 가능할 수도 있다는 얘기다. 

순간이동은 설명 안 하고 왜 자꾸 통신 얘기만 늘어놓았느냐면 이 양자통신 기술이 순간이동의 핵심 원리이기 때문이다.

세상 모든 물질은 원자로 이루어져 있다. 인간의 몸도 마찬가지이다. 인간의 몸을 원자 단위로 분해해서 양자정보를 이동시킨다는 원리이다. 바로 이때 '양자 원격전송'이라는 기술을 사용한다. 

 

 

 

양자 원격전송

양자 원격전송은 측정되기 이전 상태의 양자 정보를 보내려고 하는 위치에다가 똑같이 재현하는 기술이다.

이건 마치 컴퓨터 파일 하나를 복사해서 붙여 넣기 하듯이 입자 하나의 정보를 복사해서 다른 장소에 붙여 넣기 하는 거랑 비슷하다. 이 양자 원격전송은 분명히 물질이 A에서 B까지 움직이는 이런 고전역학적인 움직임이 아니다. 

이 양자 원격전송의 원리를 정확하진 않아도 쉬운 예로 들자면, 여기 전혀 구별할 수 없게 사이즈나 색상 등이 완벽하게 똑같은 두 개의 통이 있다. 그리고, 통을 열어보기 전까지는 통속을 절대 볼 수 없다. 이 두통 안에는 양자적으로 얽혀있는 양자 공이 각각 들어있는데 통 안의 양자 공은 파란색 아니면 빨간색이다. 그런데 통속의 양자 공은 양자 얽힘 되어 있기 때문에 한쪽 통에서 파란 양자 공이 나오면 다른 통에서는 빨간 양자 공이 나오게 된다. 반대로 한쪽 통에서 빨간 양자 공이 나오면, 다른 통에서는 무조건 파란 양자 공이 나온다.  이제 이 두 통 중에 하나를 대전에 있는 철수가 선택한다.  

그다음, 다른 통 하나는 부산에 있는 영희한테 보낸다. 우리는 대전 철수랑 부산 영희가 갖고 있는 통 안에 어떤 색깔의 공이 들어있는지 전혀 알 수 없다. 이상태에서 통을 열어본다. 이 통을 열어서 어떤 색깔의 공이 들어있는지 확인해보는 거다. 대전 철수의 통에서 파란 색공이 나왔다면 철수가 파란색 공을 관측한 즉시 부산 영희한테 있는 통속의 공의 색깔은 그 즉시 빨간색으로 정해진다. 이처럼 관측을 통해서 한쪽의 정보가 정해지면 그 즉시 다른 한쪽의 정보가 정해지는 것을 얽혀있는 정보라고 하고, 이런 두 양자의 관계를 우리는 양자 얽힘이라고 한다. 뚜껑을 열기 전에 공은 빨간, 파랑이 결정되지 않은 상태가 뒤 섞어 존재한다. 즉, 중첩되어 있다. 뚜껑을 열어보기 전까지는 절대 모른다. 이건 마치 빨강과 파랑이 동시에 엉켜있는 기묘한 상태이다. 이렇게 여러 가능성을 동시에 갖는 성질을 양자 중첩이라고 한다. 

 

 

 

이제 양자 세계에 있는 뚜껑을 열어서 양자 공을 확인해 본다. 어떤 일이 일어날까. 양자역학적으로 양자 공은 빨강과 파랑이 중첩되어 있다가 관측하는 즉시 중첩 상태가 붕괴돼서 빨강 혹은 파랑으로 하나의 상태가 결정된다. 즉, 뚜껑을 열어서 양자 공을 관측하는 행위가 양자 공의 상태를 결정하는 것이다. 이것을 양자 붕괴라고 한다. 

양자 공의 상태는 관측 전에는 정확히 알 수 없고 확률적으로만 표현할 수 있다. 여기서 우리는 양자 얽힘, 중첩 현상을 이용해서 꼼수를 쓸 것이다. 부산 영희의 공의 색깔을 우리가 직접 결정해 버리는 거다. 대전에 있는 공하고 부산에 있는 공이 양자 얽힘 되어있는 현상을 이용해 먹는 거다. 대전 영철이가 빨간 공을 들고 와서는 대전 철수의 상자 속의 공이랑 양자 얽힘 시켜버린다. 그러면 대전 영철이의 공이 빨간색이니까 대전 철수의 상자 속의 공은 파랑으로 정해지고 그에 따라서 부산 영희의 공은 즉시 빨강으로 결정된다. 이것이 바로 연쇄적인 양자 얽힘이다. 이렇게 되면 부산에 있는 공의 색깔을 대전 영철이가 맘대로 정할 수가 있는 것이다.  빨간 공을 0이라고 하고 파란 공을 1이라고 치면 0과 1... 2진법이다~

이제 우리는 0과 1을 이용해서 우리가 원하는 정보를 전달할 수 있는 것이다. 이제 대전 영철이는 0과 1을 이용해서 본인이 원하는 정보를 대전으로 언제든지 즉시 전달할 수 있는 것이다. 이 양자의 이진법을 큐비트라고 한다. 일반 컴퓨터는 정보를 0과 1의 비트단위로 처리하고 저장하는 반면 양자 컴퓨터는 정보를 0과 1을 동시에 갖는 큐비트 단위로 처리 가고 저장한다. 이제 빨간 공 파란 공이 아니라 대전하고 부산에 양자적으로 얽혀있는 입자가 있고 대전에 있는 입자에다가 X1입자를 얽혀보자. 그럼 부산에는 입자 X1 하고 상태가 똑같은 입자 X2를 생성할 수 있는 것이다. 

기존의 양자 X1은 대전에 그대로 있고 부산의 X2양자가 생기는 것이다. 이렇게 양자 원격전송을 이용하면 대전에서 부산으로 이동한 게 아니라 복사해서 붙여 넣기 한 것이기 때문에 빛보다 빠른 것은 존재하지 않는다는 아인슈타인의 상대성이론을 거스르지도 않고 원거리에 빛보다 빠른 순간적인 이동이 가능해진다.

 

과연 사람도 이 방식으로 순간이동을 할 수 있을까?

사람이든 사물이든 해당 개체의 모든 질량을 양자정보로 바꾼 다음 이 양자 정보를 원하는 위치에다가 전송하고 복원시키는 작업이 필요하다. 전문가들은 이렇게 말한다. "가까운 미래에는 분자 정도의 정보는 원격으로 보낼 수 있을 것이다."

"하지만 인간의 모든 구성요소를 양자화하면 1조의 수경 배에 이르는 양자비트가 발생한다. 몸무게가 100킬로그램인 한 사람의 정보를 전송하는 데만 3억 년이 걸릴 것이다." 그 기간에 사람이 사라졌다 다시 나타나기란 불가능하다. 

"양자 원격전송을 하려면 양자 쌍둥이를 만들어야 한다. 광자나 원자처럼 간단한 입자라면 쉽겠지만 사람은 아직 불가능하다. 사람 몸을 이루는 모든 원자의 정보를 정확하게 읽는 것은 하이젠베르크의 불확정성 원리에 따라 불가능하다. 슈퍼컴퓨터보다 1000배 이상 빠른 양자컴퓨터가 나온다고 해도 사람을 순간 이동시키는 것은 사실상 불가능하다."라고 주장하고 있다. 하지만 이는 어디까지나 현재의 기술 수준을 기준으로 생각한 주장일 뿐 미래의 과학기술의 발전을 예측하는 전문가들의 주장으로는 가까운 미래에 인간의 상상을 초월할 만큼의 가파른 속도의 발전이 이루어질 것이라 장담을 하고 있는 것으로 보아 사람을 대상으로 하는 순간이동이 마냥 불가능하다고 단정 지을 수는 없지 않을까 하는 생각이 든다.