양자역학의 또다른 신기한 '폭탄 실험' The bomb experiment

오늘 소개할 실험은 폭탄 실험이다.

https://www.youtube.com/watch?v=RhIf3Q_m0FQ 

 

이 실험은 광자가 닿으면 터지는 폭탄에 대한 내용인데, 이 폭탄은 켜거나 끌 수 있다. 그런데 매우 신기한 것은, 이 폭탄이 켜져있는지 꺼져있는지 광자가 닿지 않아도 알 수 있는 방법이 존재한다. 그에 대한 실험이다(Kwiat et al, Phys, Rev. Lett. 74(24): 4763-4766, 1995년) 

 

일반적인 빔 스플릿터 실험을 상정해보자. 왼쪽 아래에서 광자를 쏘면 거울과 반투명 거울을 사용해서 아래와 같이 구성할 수 있다. 그리고 이 셋팅에서는 모든 빛이 A로 진행하기 때문에 광자를 쏘면, A에서만 반응한다(반사시에 빛의 위상차가 변하면서 A로만 간다)

그런데 위에서 말한 켜진 폭탄을 특정 길에 배치해보자. 아래 그림과 같이 말이다. 그러면 절반의 확률로는 폭탄이 터지고 나머지 절반으로는 위와 같이 진행된다. 그런데 재미있는 것은 B가 반응할때이다.

전체적으로는 50%의 확률로 폭탄이 터지거나(그 길로 광자가 지나가거나), 아니면 폭탄이 터지지 않고 B나 A로 각각 25%의 확률로 감지되었을 경우가 생긴다. 그런데 어떤 광자를 쏴서 B가 감지되었다면 무슨 의미인가? 광자는 분명히 폭탄 근처에도 가지 않았는데 그 폭탄이 켜져있고 거기 있다는 것을 알려준다. 아래 영상에서의 마지막 그림이 그 사실을 말해준다.

놀랍지 않은가? 광자가 가지 않은 길의 정보까지 모두 반영되어 나타나기 때문이다. 즉 사실은 광자가 그 길을 가지 않았는데, 실제로는 간것처럼 작동하고 계산되어 마지막이 나타나게 된다. 대체 이 구조에서 인과란 무엇인가? 무엇이 일어나고 무엇이 일어나지 않았는가?

 

양자 역학의 신비로운 현상을 나타내는 실험 중의 하나이다. 역시 곱씹어 생각해볼만하다.