벨 부등식 실험
벨 부등식 실험은 양자 얽힘 현상이 국소적 실재론(Local Realism)과 양립할 수 없음을 보여주기 위해 물리학자 존 스튜어트 벨이 제안한 벨 부등식의 예측을 실험적으로 검증하는 일련의 실험을 말한다. 이 실험들은 양자 역학의 예측이 국소적 실재론의 예측과 어떻게 다른지를 측정하고, 실제로 양자 역학의 예측이 맞으며 벨 부등식이 위반됨을 보여줌으로써 양자 역학의 비국소적(non-local) 특성을 입증하는 데 중요한 역할을 했다.
배경
20세기 초 양자 역학이 발전하면서, 일부 물리학자들은 양자 역학의 확률론적이고 비결정론적인 특성에 대해 의문을 제기했다. 특히 알베르트 아인슈타인, 보리스 포돌스키, 네이선 로젠은 EPR 역설을 통해 양자 얽힘 상태에 있는 입자들의 측정값이 국소적 실재론의 관점에서 이해하기 어렵다는 점을 지적하며, 양자 역학이 완전한 이론이 아니며 숨겨진 변수(hidden variables)가 존재할 것이라고 주장했다.
존 스튜어트 벨은 1964년에 이러한 철학적 논쟁을 실험적으로 검증할 수 있는 형태로 전환시켰다. 그는 만약 국소적 실재론(물리적 속성이 측정 이전에 이미 정해져 있고, 빛보다 빠르게 정보를 전달하는 것은 불가능하다는 가정)이 참이라면, 얽힌 입자들의 특정 측정값들 사이의 상관관계가 만족해야 하는 수학적인 부등식, 즉 벨 부등식을 도출했다. 양자 역학은 얽힌 입자들 사이의 상관관계가 이 부등식을 위반할 수 있다고 예측했다.
실험의 원리
벨 부등식 실험의 기본적인 아이디어는 다음과 같다.
- 얽힘 상태에 있는 두 입자(예: 광자 쌍)를 생성한다.
- 이 두 입자를 서로 멀리 떨어진 두 곳으로 보낸다.
- 각 입자의 특정 속성(예: 편광 방향 또는 스핀)을 독립적으로 측정한다. 이때 측정 장치의 설정(측정 방향)은 무작위로 선택될 수 있다.
- 각 입자의 측정값을 기록하고, 멀리 떨어진 두 장소에서 얻은 측정값 쌍들 사이의 상관관계를 계산한다.
- 계산된 상관관계가 벨 부등식을 만족하는지, 아니면 위반하는지를 확인한다.
결과 및 의미
1972년 스튜어트 프리드먼과 존 클라우저의 첫 실험을 시작으로, 이후 알랭 아스페(1982년), 그리고 2015년에 주요 실험적 구멍(loophole)들을 대부분 막아낸 실험에 이르기까지 수많은 벨 부등식 실험이 수행되었다. 이 실험들의 결과는 일관적으로 벨 부등식이 예측하는 국소적 실재론의 제한을 초과하는 상관관계를 보여주었다. 이는 양자 역학의 예측과 정확히 일치한다.
이러한 실험 결과는 국소적 실재론 가설이 틀렸음을 강력하게 지지한다. 즉, 우주의 근본적인 작동 방식은 우리가 일상적으로 경험하는 국소적이고 결정론적인 실재론과 다르다는 것을 의미한다. 이는 다음 두 가지 가능성 중 하나, 혹은 둘 다가 사실일 가능성을 시사한다.
- 비국소성(Non-locality): 우주는 우리가 생각하는 것보다 훨씬 비국소적인 방식으로 연결되어 있으며, 멀리 떨어진 두 입자 사이에도 순간적인 상관관계(정보 전달은 아님)가 존재할 수 있다.
- 반실재론(Anti-realism): 물리적 속성은 측정 이전에 미리 정해져 있지 않으며, 측정이 이루어질 때 비로소 그 값이 결정된다.
벨 부등식 실험은 양자 역학의 기초를 이해하는 데 있어서 가장 중요한 실험 중 하나로 평가받으며, 양자 정보 과학(양자 통신, 양자 컴퓨팅, 양자 암호학 등) 분야의 발전에도 핵심적인 영향을 미쳤다.