획기적인 배터리로 물리학자들은 얽힘을 역전시키고 양자 법칙을 다시 쓸 수 있게 되었습니다.

연구진은 얽힘 배터리의 도움을 받으면 얽힘 현상이 완벽하게 가역적으로 구현될 수 있음을 증명하여, 양자 정보에 대한 열역학식 제2법칙을 확립하고 더욱 효율적인 양자 장치로의 문을 열었습니다. 출처: Shutterstock

프랑스 엔지니어이자 물리학자인 사디 카르노가 열역학 제2법칙을 공식화한 지 200여 년 만에, 국제 연구팀은 양자 세계에 대한 유사한 법칙을 발표했습니다. 이 얽힘 조작 제2법칙은 이상적인 열역학 영역에서 열이나 에너지와 마찬가지로 얽힘도 가역적으로 조작될 수 있음을 증명하는데, 이는 지금까지 격렬한 논쟁의 여지가 있었습니다. 2025년 7월 2일 Physical Review Letters 에 발표된 이 새로운 연구는 얽힘의 기본 속성에 대한 이해를 심화시키고, 얽힘 및 기타 양자 현상을 실제로 효율적으로 조작하는 방법에 대한 중요한 근본적인 통찰력을 제공합니다.

얽힘은 양자역학의 핵심적인 특징이라고 할 수 있습니다. 두 개의 미세 입자가 얽혀 있다고 할 때, 누군가 두 입자 중 하나의 양자적 특성을 측정한 후 얽힌 상대 입자에 대해 측정을 반복하면, 두 입자가 매우 멀리 떨어져 있더라도 항상 두 입자가 상관관계를 갖는다는 것을 발견하게 됩니다. 따라서 한 입자의 상태를 알면 다른 입자에 대한 정보도 자동으로 얻게 됩니다. 얽힘은 약 90년 전, 자연에 대한 완전한 설명으로 취급될 경우 양자 이론의 부조리를 증명하기 위해 도입되었습니다. 그러나 오늘날에는 부조리하다고 여겨지지 않습니다. 현실 세계에서 얽힘의 진위가 철저히 증명된 후, 얽힘은 이제 양자 정보 이론의 핵심 자원으로 자리 잡았습니다. 양자 순간이동과 양자 암호화를 가능하게 하고, 양자 컴퓨팅, 통신 및 정밀 측정 분야에서 상당한 이점을 제공합니다.

얽힘은 여전히 ​​우리가 경험하는 세상과는 반직관적으로 보이지만, 연구자들은 훨씬 더 친숙한 것, 즉 열역학과 놀라운 유사점을 발견했습니다. 실제로 양자 얽힘 이론과 열역학 이론 사이에는 많은 유사점이 발견되었습니다. 예를 들어, '얽힘 엔트로피'는 열역학적 엔트로피의 역할을 모방하는 이상적이고 무소음 양자 시스템의 특성입니다.

그러나 열역학 제2법칙에 상응하는 것, 즉 과정은 무질서(앞서 언급한 엔트로피)가 증가하는 경향이 있으며 완벽한 가역성은 달성 가능하지만 드물고 매우 효율적인 이상이라는 것을 명시하는 것은 여전히 ​​어려운 과제로 남아 있습니다. 여기서 가역성은 시간 대칭성을 의미하는 것이 아니라, 외부 작용자가 시스템을 다른 상태로 조작한 후 손실 없이 초기 상태로 되돌릴 수 있는 능력을 의미합니다. 연구 공동 저자인 툴야 바룬 콘드라는 "열역학 제2법칙과 유사한 제2법칙을 찾는 것은 양자 정보 과학의 미해결 과제였습니다."라고 말하며, "이 문제를 해결하는 것이 우리의 주된 목표였습니다."라고 덧붙였습니다.

이 문제를 해결하기 위한 많은 연구는 멀리 떨어져 있는 두 당사자(흔히 앨리스와 밥이라고 함)가 양자 정보를 교환하고자 하지만, 양자 시스템에서 국소적으로 동작하고 전화나 인터넷과 같은 고전적 방식으로 통신해야 하는 상황에 집중되어 왔습니다. 이러한 국소적 동작과 고전적 통신(LOCC)에 대한 제한은 상황을 단순화합니다. 즉, 앨리스와 밥이 무엇을 하든 양자 시스템 간 얽힘의 본질적인 비국소적 특성에 영향을 미칠 수 없습니다.

"이 시나리오에서 LOCC 작동 시 얽힘은 되돌릴 수 없다는 것이 알려져 있습니다."라고 연구 주저자인 알렉산더 스트렐초프는 설명합니다. "따라서 문제는 우리가 어떻게든 LOCC를 의미 있는 방식으로 넘어서서 가역성을 회복할 수 있느냐는 것입니다." 앨리스와 밥이 추가적인 얽힘 시스템, 즉 얽힘 배터리를 공유한다는 전제 하에, 연구팀은 '그렇다'라고 답합니다.

일반 배터리가 열역학의 맥락에서 일을 주입하거나 저장하는 데 사용할 수 있는 에너지를 저장하는 것처럼, 얽힘 배터리는 얽힘을 주입하고 저장합니다. 배터리는 상태 변환 과정에 사용될 수 있으며, 배터리 자체의 상태를 변경하여 연산을 수행할 수 있습니다. 규칙은 단 하나뿐입니다. 앨리스와 밥이 무엇을 하든 배터리 내 얽힘 수준을 낮춰서는 안 됩니다.

일반 배터리가 배터리 없이는 불가능한 작업을 수행할 수 있는 것처럼, 얽힘 배터리도 마찬가지입니다. 연구팀은 가상 얽힘 배터리를 표준 LOCC 작업에 적용함으로써, 모든 혼합 상태 얽힘 변환을 완벽하게 가역적으로 만들 수 있음을 입증했습니다.

이 업적은 얽힘 조작이 일반적으로 가역적인지에 대한 논쟁에 상당한 기여를 합니다. 그러나 이 연구의 더 중요한 결과는 연구자들이 개발한 방법론이 혼합 상태 얽힘 변환을 넘어서도 적용 가능함을 보여주었다는 것입니다. 이를 통해 연구자들은 얽힘 이론을 활용하여 다양한 시나리오에서 가역성을 검증할 수 있게 되었습니다. 모든 양자 상태에 걸친 얽힘 조작이 가역적임을 증명하는 것은 얽힘 조작에 대한 일련의 제2 법칙을 도출해 낼 것으로 예상됩니다.

얽힘 배터리는 얽힘 이론 이외의 분야에서도 활용될 수 있습니다. 예를 들어, 동일한 원리가 두 개 이상의 얽힌 입자를 포함하는 시스템에도 적용되어 복잡한 양자 네트워크를 이해하고 조작하며, 어쩌면 미래의 고효율 양자 기술을 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다.

또한, 얽힘 배터리 개념을 자원 배터리(해당 자원을 감소시키지 않고 변환 과정에 참여하는 추가적인 양자 시스템)로 일반화하면 최소한의 가정에 기반하여 양자 물리학 전반에 걸쳐 가역성을 체계적으로 입증할 수 있습니다. 스트렐초프는 "결맞음이나 자유 에너지를 보존하는 배터리를 가지고 있다면, 얽힘 대신 시스템의 특정 자원을 가역적으로 조작하는 가역적 프레임워크를 이 환경에서 공식화할 수 있습니다."라고 말합니다. "이러한 가역성의 다른 원리들 중 다수는 이미 다른 접근법을 통해 검증되었지만, 우리의 기술은 잘 확립된 물리적 원리에 기반한 통합된 증명 프레임워크를 제공합니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250706230318.htm