양자역학에서 관측이란 무엇일까? A delayed choice quantum eraser 논문 관련하여

 양자역학의 얽힘과 관측으로 인한 확률함수 붕괴는 아직 모든 것이 명확하게 이해되는 현상은 아니다. 관측은 전 우주를 대상으로 해당 입자의 정보가 흘러감을 의미한다고 하는데, 사실은 이 설명도 그다지 와닿지 않을 수 있다.

 

 개인적으로 양자역학에 대한 이해는 연관된 실험에 대한 정확한 Fact에 대한 확인과 그 틀 속에서 그 의미를 탐구하는 과정에서 더 강해지지 않는가 싶다. 앞서 설명된 이중 슬릿 실험이 그래서 아주 소중한 이유이다.

 

 여기서는 좀더 괴상한 실험을 소개해본다. 이름하여 A delayed choice quantum eraser라는 제목의 실험이다. 짧게 설명해보면 이미 확률함수가 붕괴된 실험장치를 구성한 상태(회절무늬가 사라진)에서 실험 장치를 추가해 다시 회절무늬를 만드는 기이한 현상에 대한 실험이다. (흥미롭게도 이 실험은 또한 한국인이 제1저자인데, 포항공대 물리학과 김윤호 교수라는 분이다.)

 

우선 이 실험을 설명한 두가지 동영상을 먼저 소개해보자(나중에 보면 된다) 이 영상의 사진들을 활용했다.

두개중 먼저 소개된 영상이 훨씬 더 간략화되었고 후자가 조금 더 자세하다.

 

https://www.youtube.com/watch?v=iyN27R7UDnI

https://www.youtube.com/watch?v=U7Z_TIw9InA&t=7s

 

아래 신기한 실험장치가 있다. 레이저로 빛을 쏘면 A,B 두 슬릿으로 빛이 입사 된다. 이중슬릿 실험과 동일하다. 그리고 BBO는 좀 신기하게 하나의 광자가 입사되면 두개의 얽힌 입자를 생성하고(높은 에너지의 광자가 낮은 2개의 광자로 분할된다고 한다) 프리즘을 통해(Glan-Thompson prism) 각기 방향으로 나가게 한다 (슬릿 별로 빨간색과 형광색의 경로를 각각 보자)

 

"D?"들은 모두 관측 장치이다. 아래 이제 실제 그림을 보자.

먼저 A,B로 어디로 들어왔는지 모르는 경우에 D0에는 어떤 무늬가 생길까? 익숙한 설정이다. 회절무늬가 생긴다.

(나중에 살펴볼 D4같은 검출기가 없다고 가정한다.)

 

여기서 또 알고 있어야 하는 내용은 A슬릿으로 온 광자와 B슬릿으로 온 광자는 각기 BBO(어떤 특수 크리스탈을 쓰면 된다고 한다)에 의해 얽힌 광자쌍을 만들어낸다는 사실이다. 아래 그림은 B로 들어온 광자가 얽힌 광자 2개로 나뉘어 나아가는 모습이다(빛나는 밝은 두 원을 보라). 얽힌 광자는 당연하게도 하나가 확정되면 또 다른 하나가 즉시 확정된다. 즉 이 실험은 이중슬릿과 얽힌 광자입자가 동시에 등장하는 실험이다.

 

이 실험도구를 이제 좀더 아래 그림처럼 확대해보자. 이제 BBO를 거쳐 가는 얽힌 입자들이 프리즘(PS)을 거쳐 BSb, BSa라는 각각의 거울을 거쳐 D4나 D3에 도달하게 된다(영상에서는 애니메이션이 제공되어 더 길을 잘 알 수 있다, 나중에 Bsa, BSb는 반투명 거울-beal splitter-로 바뀌지만, 지금은 거울이라고 하자) 

만약에 D4에 입자가 나타났다면 이중슬릿에서 A로 통과되어 들어온 것이므로 입자의 위치가 들통나면서 어떻게 될까? 이제 회절무늬가 사라지겠다. D3에 입자가 나타났어도 B를 통과해서 들어온것이므로 회절무늬는 사라진다. D4, D3에도 그냥 입자처럼 관측된다 확률함수는 이미 붕괴된 것이다.

 

 이것이 왜 신기할까? 이미 슬릿은 통과되었는데 뒤에 관측한 사실때문에 회절무늬가 사라진셈이다. 다른 과거의 실험 예처럼 이중슬릿에서 관측하지 않고, 이번에는 뒷 선에서 관측을 해도 회절무늬는 사라지게 된다. 즉 입자로부터 정보를 얻는 시점은 상관없이 정보가 생기면 확률붕괴가 발생한다는 사실이다.

 

 그리고 또 하나 신기한 것은 아예 D3,D4가 뒤로 아무리 멀게 배치해도 간섭무늬가 사라진다고 한다(개인적으로 이것이 잘 이해가 가지 않긴 하다). D0에 이미 충돌했는데 D3,D4가 검출이 가능하게되면 간섭무늬가 사라지는 모양새이다. 광자의 과거에 영향을 미치는 모습이다. (즉 양자역학의 얽힘과 그 효과가 결국에는 과거와 미래가 한 방향으로 흐른다는 것이 의미가 없다는 것을 시사한다고 생각한다. 정보는 시간을 거꾸로 넘어 상호작용한다. 마치 모든 시간의 일이 한 순간에 펼쳐지는 느낌이다. 이런 것들을 Retro Casuality라고 부른다고 한다.)

 

그리고 한단계 더 나아가보자.

 

아예 BSb와 BSa를 이제 반투명 거울로 바꾸어보자. 설명하기는 복잡하지만 상기 실험의 구성에서는 반투명의 구성때문에 결국 D2, D1에 상이 맺히더라도 어느 경로로 들어온 것인지를 알 수 없게 된다. 온갖 측정장치가 앞에 달려있어도 마지막에는 그 정보를 알 수 없게 된 상태가 된 것이다. 그리고 이제 BSb, BSa를 통과한 광자만 따로 모아서 무늬를 관찰해보자(한번에 광자를 1개 수준으로 쏘면 그렇게 따로 모을 수 있다고 한다). 그러면 다시 회절무늬가 나타난다. 관측장치가 있어도, 결국은 어느 슬릿에서 왔는지 알 수 없으면 회절 무늬를 띄게 된다.

 

여기서 또 재미있는 것은 이때의 D0이다. D1/D2에서 반응한 광자의 얽힌 쌍은 D0에서도 회절무늬를 보인다. 그런데 가만.. 이 그림의 경로 길이는 실제와 유사하게 표현되어 있는데, D2나 D1에는 D0보다 나중에 충돌되게 된다. 그런데 D1과 D0에 충돌되기도 전인데 D0에는 회절무늬가 생긴다.

 

무엇이라? 이 D0의 회절무늬는 마치 미래에 이 광자가 D2나 D1에 맺힌다는 것을 미리 알고있는것처럼 행동한다는 것이다. 만약에 이 D4,D2,D3,D1을 10광년정도 뒤로 배치했다고 치자. 영상들의 설명에서는 여전히 유효하다고 한다. 대체 이것이 우리 상식으로 어떻게 이해가 가는가.. 

 

https://www.youtube.com/watch?v=0ui9ovrQuKE  (7분20초부터 8분 30초 사이의 설명)

 

 

무언가 우리가 아는 우주의 인과 관계라는 것이 뒤집어 지는 모양새이다. 그런데 실험 결과가 정확히 위 설명과 일치한다고 한다. 섣불리 양자역학에서의 관측이라는 것을 이해했다고 말하기 힘든 이유이다. 이것은 인과 관계나 시간의 앞과 뒤도 상관없다. 양자는 정보를 얻을 수 있느냐로 그 결과만 귀신같이 따져서 알고 확률함수가 붕괴될지 아닐지를 결정한다. 

 

 리처드 파인만 교수의 말대로 "양자역학을 이해하는 사람은 아무도 없다"라는 말이 이해가는 순간이 아닐까.

 

자 이제 앞서 소개한 동영상을 살펴보자. 이해가 좀더 명료해지길 바란다.

 

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이 소개에 대해 미래의 행위가 과거를 바꾸지 않는 것이라는 지적이 있다. 실험상의 함정이 있다는 이야기이다. 아래 동영상을 참조하자.

https://www.youtube.com/watch?v=RQv5CVELG3U