Bell 부등식과 비국소성: 양자 얽힘의 실험적 검증
Bell 부등식은 국소 숨은 변수 이론이 반드시 만족해야 할 수학적 한계를 제시한다. 양자역학은 이 한계를 체계적으로 위반하며, 수십 년에 걸친 실험들이 이를 실증함으로써 자연이 국소 실재론적으로 기술될 수 없음을 확인하였다.
개념 소개
1935년 Einstein, Podolsky, Rosen(EPR)은 양자역학이 '불완전'하다고 주장했다. 두 입자가 얽혀 있을 때 한쪽을 측정하면 아무리 멀리 떨어진 상대방의 상태도 즉시 결정된다는 점이 "유령 같은 원격 작용"처럼 보인다는 이유에서였다. 이들은 측정 이전부터 각 입자가 **숨은 변수(hidden variable)**를 이미 보유하고 있을 뿐, 양자역학이 이를 기술하지 못한다고 주장했다.
1964년 John Bell은 이 논쟁을 실험으로 판가름할 수 있는 부등식을 유도했다. 핵심 아이디어는 명확하다: **국소 실재론(local realism)**이 성립한다면, 공간적으로 분리된 두 입자의 측정 결과 사이의 상관관계는 특정 한계를 절대 초과할 수 없다.
핵심 원리
CHSH 부등식
실험에서 가장 널리 쓰이는 형태는 Clauser-Horne-Shimony-Holt(CHSH) 부등식이다. 두 관측자 Alice와 Bob이 각자 두 가지 측정 방향 와 를 선택할 수 있고, 각 측정값이 이라 하자. CHSH 매개변수 를 다음과 같이 정의한다.
국소 숨은 변수 이론에서는 임의의 단일 실현마다 로 인수분해되고, 이면 와 중 하나가 반드시 이 되므로 이다. 기대값을 취해도 다음이 성립한다.
반면 스핀-1/2 단일항 상태 에서 양자역학적 상관 함수는 다음과 같다.
측정 방향을 로 설정하면
이 값을 Tsirelson 한계라 하며, 양자역학이 달성할 수 있는 상관관계의 이론적 최댓값이다. 구간이 국소 실재론과 양자역학이 갈라지는 영역이다.
예시·응용
Aspect 실험과 허점 없는 검증
1982년 Alain Aspect 팀은 칼슘 원자에서 방출된 광자 쌍의 편광을 측정하여 을 관측했고, 이는 CHSH 한계 2를 명확히 위반했다. 그러나 완전한 결론을 내리려면 두 가지 허점(loophole)을 닫아야 했다.
- 탐지 허점: 탐지 효율이 낮으면 '탐지된 사건만 보는 편향'이 생겨 허위로 위반이 관측될 수 있다.
- 국소성 허점: 두 관측자의 측정 선택이 광신호를 통해 서로 영향을 줄 가능성.
2015년 네덜란드 Delft 연구팀은 다이아몬드 NV 센터의 전자 스핀을 이용해 두 허점을 동시에 닫는 실험에 성공했으며, 같은 해 NIST와 빈 대학교 팀도 광자 기반 실험으로 동일한 성과를 달성했다. 이 결과들은 자연이 국소 실재론적으로 기술될 수 없음을 사실상 확정지었다.
양자 정보에서의 의의
Bell 부등식 위반은 철학적 논쟁을 넘어 직접적인 실용 가치를 갖는다.
- 장치 독립 양자 키 분배(DI-QKD): Bell 검정 결과로 도청 여부를 검증하는 프로토콜이 개발되고 있다.
- 얽힘 증인: 이면 두 시스템이 얽혀 있음을 실험적으로 증명할 수 있다.
import numpy as np
def corr(a, b):
"""스핀-1/2 단일항 상태의 상관 함수 E(a,b) = -cos(a-b)"""
return -np.cos(np.radians(a - b))
def chsh_S(a, ap, b, bp):
return corr(a, b) + corr(a, bp) + corr(ap, b) - corr(ap, bp)
# 최적 각도: a=0°, a'=90°, b=45°, b'=-45°
S = chsh_S(0, 90, 45, -45)
print(f"S = {S:.4f}") # ≈ -2.8284
print(f"|S| = {abs(S):.4f}") # ≈ 2.8284 = 2√2
정리
Bell 부등식은 "자연이 국소 실재론적인가?"라는 물음에 실험적으로 답할 방법을 제공한다. 수십 년의 실험은 일관되게 CHSH 한계 2를 위반하며, 2015년 이후 허점 없는 검증이 완료되었다. 양자 얽힘은 숨은 변수로 환원될 수 없는 진정한 비국소적 상관관계이며, 이는 양자 암호와 양자 통신의 안전성 증명에 직접 활용된다.
연습문제
Q1.CHSH 매개변수 $S = AB + AB' + A'B - A'B'$에서 각 측정값이 $\pm 1$일 때, 단일 실현마다 $|S| = 2$임을 대수적으로 증명하라.
힌트 보기
$S$를 $A$와 $A'$에 대한 인수분해 형태로 다시 쓴 뒤, $B$와 $B'$가 취할 수 있는 값의 조합을 경우로 나누어보라.
해설 보기
$S = A(B + B') + A'(B - B')$로 인수분해된다. $B, B' \in \{+1,-1\}$이면, $B = B'$일 때 $B+B' = \pm 2$이고 $B-B' = 0$이므로 $S = \pm 2$, $B = -B'$일 때 $B+B' = 0$이고 $B-B' = \pm 2$이므로 $S = \pm 2$. 모든 경우에서 $|S| = 2$이다. 기대값은 볼록성에 의해 $|E[S]| \leq E[|S|] = 2$이므로 $|S| \leq 2$가 성립한다.
Q2.스핀-1/2 단일항 상태에서 Alice가 $\theta_a = 0°$, Bob이 $\theta_b = 45°$ 방향을 측정할 때 기대 상관 함수 $\langle AB \rangle$를 계산하라.
해설 보기
단일항 상태의 상관 함수 공식 $\langle AB \rangle = -\cos(\theta_a - \theta_b)$를 적용하면, $\langle AB \rangle = -\cos(0° - 45°) = -\cos(-45°) = -\dfrac{\sqrt{2}}{2} \approx -0.707$이다.
Q3.'탐지 허점(detection loophole)'이 Bell 검정 결과를 어떻게 왜곡할 수 있는지 설명하고, 이를 닫기 위해 필요한 최소 탐지 효율의 의미를 서술하라.
해설 보기
탐지 효율이 낮으면 실제로 방출된 쌍 중 일부만 기록되는데, 국소 숨은 변수 이론에서도 '탐지되기 유리한 사건'만 선별되면 CHSH 한계를 초과하는 것처럼 보이는 편향이 생긴다. 탐지 효율이 임계값(이상적 상황에서 약 $2(\sqrt{2}-1) \approx 82.8\%$) 이상이어야만 이러한 선택 편향이 위반을 설명할 수 없게 되고, 비로소 탐지 허점이 닫힌다고 볼 수 있다.