Measurements on the separated subsystems of an entangled state

양자역학은 입자들이 공간과 거리의 일반적인 규칙을 거스르는 방식으로 연결될 수 있는 세상을 설명한다. 두 입자가 얽히게 되면, 그들은 설령 아주 먼 거리로 떨어져 있더라도 하나의 통일된 존재를 공유하게 된다. 이 상태에서 한 입자의 성질은 다른 입자의 성질과 불가분하게 얽혀 있다. 수십 년 동안 물리학자들은 이러한 연결된 시스템을 수학적으로 기술하는 방법을 이해해 왔지만, 특정 난제가 남아 있었다. 바로 입자들이 물리적으로 떨어져 나간 후 측정할 때 어떤 일이 일어나는지를 어떻게 설명할 것인가 하는 문제다. 표준 이론은 한 입자를 측정하는 것이 전체 시스템을 즉각적으로 하나의 확정된 상태로 "붕괴"시킨다고 제안하는데, 이 과정은 신비롭고 우주 전체에 걸쳐 즉각적으로 일어나는 것처럼 느껴진다. '무작위 붕괴(random collapse)'로 알려진 이 개념은 모호한 양자 중첩 상태로부터 어떻게 확정적인 결과가 도출되는지에 대한 기본 설명이 되어 왔으나, 현실의 본질에 대한 많은 질문을 남겨두고 있다.

프린스턴 대학교의 그레고리 D. 숄스(Gregory D. Scholes)가 수행한 새로운 연구는 이 문제에 대한 다른 관점을 제시하며, 떨어진 입자들 사이의 기묘한 연결이 갑작스럽고 무작위적인 붕괴를 필요로 하지 않는다고 제안한다. 대신, 이 연구는 우리가 보는 확정적인 결과들이 단순히 우리가 시스템을 바라보는 방식의 문제라고 주장한다. 논문은 얽힌 입자들을 분리할 때, 우리가 더 이상 단일하고 통일된 객체를 측정하는 것이 아니라, 상태의 수학적 구조 안에 이미 숨겨져 있던 다양한 사전 존재적 가능성들에 접근하는 것이라고 주장한다. 저자는 관점을 결합된 시스템에서 개별 부분으로 전환함으로써, 입자들 사이의 상관관계가 '원격에서의 유령 같은 작용(spooky action at a distance)'에 의해 생성되는 것이 아니라, 측정이 수행되는 특정한 방식을 통해 드러나는 것임을 보여준다.

이를 이해하기 위해서는 먼저 양자 상태가 어떻게 구축되는지 파악해야 한다. 두 시스템이 결합될 때, 그들의 수학적 기술은 개별적인 가능성들을 연결하는 특정한 연산에 의해 형성된다. 이 연산은 결합된 상태가 두 상태의 단순한 혼합이 될 수도 있고, 혹은 부분들을 독립적으로 설명할 수 없는 복잡하게 얽힌 혼합이 될 수도 있는 공간을 창조한다. 표준적인 관점은 이 결합된 상태를 측정이 경로를 선택하도록 강요할 때까지 하나의 단일하고 분할 불가능한 실체로 취급한다. 그러나 숄스는 이 결합된 상태가 사실 동일한 물리적 상황을 나타내는 많은 서로 다른 방식들을 포함하는 더 넓은 수학적 구조에 의해 정의된다고 지적한다. 이것은 지도 위의 한 점에 도달할 수 있는 여러 갈래의 길이 있는 것과 같다. 목적지는 같지만, 그곳에 도달하기 위해 선택한 경로에 따라 당신이 보게 되는 것은 달라진다.

이 새로운 발견의 핵심은 두 얽힌 입자가 물리적으로 분리될 때, 측정 과정이 우리가 보통 생각하는 방식처럼 결합된, 통일된 상태에 작용하는 것이 아니라는 점이다. 대신, 이들을 분리하는 행위는 관찰자가 이전에 숨겨져 있던 상태의 특정 '대표값(representatives)'들에 접근할 수 있게 해준다. 논문은 얽힌 상태가 사실 하나의 덩어리로 볼 때는 동일해 보이도록 그룹화된 다양한 가능성들의 집합체임을 입증한다. 하지만 우리가 입자들을 개별적으로 측정할 때, 우리는 효과적으로 이러한 숨겨진 대표값들 중 하나를 선택하는 것이다. 어떤 대표값을 드러낼 것인지에 대한 선택은 측정의 특정 각도나 기저(basis)에 달려 있는데, 이는 마치 목적지에 도달하기 위해 어떤 길을 택할지 결정하는 것과 같다.

이러한 통찰은 한 입자를 측정하는 것이 다른 입자의 상태를 즉각적으로 결정하는 것처럼 보이는 현상인 비국소성(nonlocality)의 이야기를 바꾼다. 연구는 공간을 가로질러 발생하는 무작위 붕괴를 끌어들일 필요가 없다고 제안한다. 대신, 입자들 사이의 상관관계는 파동함수 안에 통계적으로 내재되어 있으며, 단지 밝혀지기를 기다리고 있을 뿐이다. 실험자가 특정 방식으로 입자 A를 측정하기로 선택할 때, 그는 입자 B를 변화시키도록 강요하는 것이 아니라, 항상 그곳에 존재했던 공유된 현실의 특정 버전을 선택하는 것이다. 그러면 입자 B의 결과는 이 선택에 의해 결정되며, 이는 두 입자 사이를 오가는 신호에 의한 것이 아니다. 논문은 만약 당신이 한 방향으로 입자 A를 측정한다면, 두 입자 모두에 대한 특정 결과 세트를 드러내게 된다고 보여준다. 만약 다른 방향으로 측정한다면 다른 세트를 드러내겠지만, 두 입자 사이의 연결은 신비로운 상호작용 없이도 일관되고 예측 가능한 상태로 유지된다. 이 모델이 무작위 붕괴를 제거하지만, 이러한 상관관계가 국소적으로 인코딩되어 있다는 것을 의미하지는 않는다는 점에 유의해야 한다. 즉, 결과는 여전히 첫 번째 측정에서 선택된 기저에 의존한다.

이 연구는 이러한 측정들이 어떻게 작동하는지에 대한 명확한 수학적 프레임워크를 제공하며, 우리가 얻는 확정적인 결과들이 복잡하게 얽힌 상태를 개별 입자들의 국소적 공간으로 투영(projection)한 결과임을 보여준다. 이 투영은 물리적인 힘이 아니라 입자들이 분리됨으로써 발생하는 수학적 필연성이다. 저자는 밑바탕에 깔린 상태의 구조를 살펴봄으로써, 양자역학의 '무작위성'이 실제로는 측정 맥락에 의해 선택된 숨겨진 대표값이 무엇인지를 반영하는 것임을 보여준다. 상관관계는 측정의 순간에 생성되는 것이 아니라, 단지 읽혀지는 것이다.

이러한 접근 방식은 왜 복합 시스템을 측정할 때 하나의 결과가 나오고, 분리된 부분들을 측정할 때 두 개의 결과가 나오는지 명확히 하는 데 타당한 근거를 제공한다. 논문은 복합 시스템이 개별 부분들이 뒤섞인 공간에 존재하지만, 일단 분리되면 측정 과정을 통해 각 부분의 뚜렷한 기여를 볼 수 있게 된다고 설명한다. 연구는 파동함수의 '붕괴'가 우주 전체에 일어나는 물리적 사건이 아니라, 분리된 하위 시스템들에 담긴 정보에 우리가 어떻게 접근하는지를 설명하는 묘사라고 제안한다. 비국소적 연결은 빛보다 빠르게 이동하는 신호가 아니라, 두 입자가 공통의 역사와 공통의 수학적 구조를 공유하고 있으며, 우리가 그들을 바라보는 방식에 따라 그 구조가 다르게 드러난다는 사실의 결과이다.

이 작업의 함의는 매우 중요하다. 이는 얽힌 입자들의 기묘한 행동이 국소적 실재성을 위반하는 것이 아니라, 양자 시스템에서 정보가 저장되고 검색되는 방식의 특징임을 시사한다. 논문은 우주가 측정의 결과를 결정하기 위해 무작위적인 선택을 할 필요가 없다고 주장한다. 오히려 결과는 상관된 결과들이 상태 안에 내재된 통계적 모델 내에서 측정 맥락 자체에 의해 결정된다. 이 관점은 양자 시스템의 성질이 관찰되기 전까지는 고정되지 않는다는 생각과 궤를 같이하면서도, 신비롭고 즉각적인 붕괴의 필요성을 제거한다. 대신, 측정은 단지 관찰자의 선택과 관련된 시스템의 특정 측면을 드러낼 뿐이다.

결국, 이 연구는 양자역학의 가장 당혹스러운 측면 중 하나에 대해 더 차분하고 논리적인 설명을 제공한다. 그것은 '원격에서의 유령 같은 작용'이 사실 분리된 시스템이 그들의 공유된 과거와 어떻게 관계를 맺는지에 대한 오해라는 것을 시사한다. 상관관계는 실재하지만, 그것은 한 입자가 다른 입자에 영향을 미치는 갑작스러운 변화에 의해 발생하는 것이 아니다. 그것은 입자들을 연결하는 더 깊은 구조, 즉 우리가 그들을 단일하고 통일된 전체로 보는 것을 멈추고 분리되어 있으면서도 연결된 개체로서 조사하기 시작할 때 비로소 온전히 드러나는 구조의 결과이다. 이 관점은 양자역학의 예측을 바꾸지는 않지만, 왜 그러한 예측이 작동하는지에 대해 우리가 들려주는 이야기를 바꿈으로써, 수학 이면에 존재하는 실재에 대한 더 명확한 그림을 제시한다.