Bell 부등식과 비국소성: 양자 얽힘의 실험적 검증
Bell 부등식은 국소 숨은 변수 이론이 만족해야 할 상관관계의 한계를 수학적으로 표현한 부등식이다. 양자역학은 이 한계를 위반하며, 실험적으로도 위반이 반복 확인되어 자연이 본질적으로 비국소적임을 시사한다. 이 챕터에서는 Bell 부등식의 유도, CHSH 형식, 그리고 주요 실험 결과를 다룬다.
개념 소개
1935년 Einstein, Podolsky, Rosen(EPR)은 양자역학이 "불완전"하다고 주장했다. 두 입자가 멀리 떨어져 있어도 한쪽을 측정하면 다른 쪽의 상태가 즉시 결정되는 것처럼 보이는데, 이는 국소성(locality) 원리—멀리 떨어진 사건이 서로 즉각적으로 영향을 줄 수 없다는 원리—에 어긋난다는 것이다. EPR의 해법은 입자가 처음부터 측정 결과를 결정하는 **숨은 변수(hidden variable)**를 갖는다는 것이었다.
1964년 John Bell은 이 논쟁을 실험으로 판가름할 수 있는 부등식을 유도했다. 국소 숨은 변수 이론이 옳다면 측정 결과 간 상관관계는 특정 한계를 넘을 수 없다. 양자역학은 그 한계를 넘는다.
핵심 원리
Bell 부등식의 직관적 유도
두 관측자 Alice와 Bob이 얽힌 입자 쌍을 각각 받아 측정 방향을 독립적으로 선택한다. 측정 결과는 항상 또는 이다.
국소 숨은 변수 모형에서 각 입자는 숨은 변수 에 의해 측정 결과가 미리 정해진다. 결과 함수를 , 로 표기하면 상관함수는
이 모형 아래서 Bell은 세 측정 방향 에 대해
가 성립함을 증명했다. 이것이 Bell 부등식의 원형이다.
CHSH 부등식
실험에서 더 많이 쓰이는 형태는 Clauser–Horne–Shimony–Holt(CHSH) 부등식이다. Alice가 , Bob이 중 하나를 선택할 때
로 정의하면, 국소 숨은 변수 이론에서는 반드시
이다. 반면 양자역학에서 최대 싱글릿 상태
에 최적 측정 방향을 적용하면
이 된다. 이를 Tsirelson 한계라 한다. 고전 한계(2)와 양자 한계() 사이의 차이가 실험의 표적이다.
최적 측정 각도
싱글릿 상태에서 상관함수는 이다. CHSH 값을 최대화하려면
로 설정하면 된다.
예시·응용
주요 실험 결과
Aspect 실험 (1982): Alain Aspect 팀은 칼슘 원자 캐스케이드로 생성한 광자 쌍을 이용해 CHSH 부등식을 실험했다. 측정 방향을 비행 중에 바꾸는 구성으로 를 얻었으며, 이는 고전 한계 2를 크게 초과했다.
루프홀 없는 실험 (2015): Delft 대학 팀(Hensen et al.)은 탐지 루프홀과 국소성 루프홀을 동시에 닫은 첫 실험을 수행했다. 다이아몬드 NV 센터 전자 스핀을 얽힌 뒤 1.3 km 떨어진 위치에서 측정해 Bell 부등식 위반을 확인했다.
간단한 시뮬레이션 (개념 예시)
import numpy as np
def quantum_correlation(theta):
"""싱글릿 상태에서 두 광자 측정 각도 차에 따른 상관함수"""
return -np.cos(np.radians(theta))
angles = [(0, 45), (0, 135), (90, 45), (90, 135)]
labels = ["E(a,b)", "E(a,b')", "E(a',b)", "E(a',b')"]
signs = [1, -1, 1, 1] # CHSH 부호
S = 0
for (a, b), sign, label in zip(angles, signs, labels):
e = quantum_correlation(b - a)
S += sign * e
print(f"{label} = {e:.4f}")
print(f"\nCHSH 값 S = {S:.4f}")
print(f"고전 한계: |S| ≤ 2, 양자 한계: {2*np.sqrt(2):.4f}")
실행 결과는 로 고전 한계를 초과함을 보여 준다.
비국소성의 함의
Bell 위반은 두 가지 결론 중 하나를 강제한다.
- 비국소성: 멀리 떨어진 입자 간에 고전적 신호 없이도 상관관계가 존재한다.
- 실재론 포기: 측정 전에 결과가 미리 정해져 있다는 가정을 버린다.
단, Bell 위반이 즉각적 정보 전달을 허용하지는 않는다. 각 측정 결과는 무작위이며, 상관관계는 사후에 고전 채널을 통해 비교해야만 확인된다.
정리
Bell 부등식은 국소 숨은 변수 이론과 양자역학을 실험적으로 구분하는 기준선이다. 양자역학이 예측하는 상관관계의 강도()는 고전 이론의 한계(2)를 넘으며, 다수의 정밀 실험이 이를 확인했다. 이 결과는 자연이 국소 실재론을 따르지 않음을 강하게 시사하며, 양자 암호·양자 통신의 보안 토대로도 활용된다.
연습문제
Q1.CHSH 부등식에서 국소 숨은 변수 이론의 한계가 $|S| \leq 2$임을 간략히 논증하라. (각 측정값이 $\pm 1$임을 이용하라.)
힌트 보기
$A, A' \in \{+1,-1\}$, $B, B' \in \{+1,-1\}$일 때 $AB - AB' + A'B + A'B' = (A+A')B + (A-A')B'$를 인수분해해 보라.
해설 보기
$A(B-B') + A'(B+B')$로 쓰면, $B$와 $B'$의 값이 같으면 $B-B'=0$이므로 $|A'(B+B')| \leq 2$, 다르면 $B+B'=0$이므로 $|A(B-B')| \leq 2$이다. 따라서 임의의 $\lambda$에 대해 피적분함수의 절댓값이 2 이하이고, 확률 분포로 평균을 내도 $|S| \leq 2$가 성립한다.
Q2.싱글릿 상태 $|\Psi^-\rangle$에서 Alice가 $0°$, Bob이 $60°$ 방향으로 스핀을 측정할 때 상관함수 $E$를 구하라.
해설 보기
싱글릿 상태의 상관함수는 $E(\theta) = -\cos\theta$이다. 각도 차 $\theta = 60°$를 대입하면 $E = -\cos 60° = -0.5$이다.
Q3.Bell 부등식 위반이 왜 초광속 통신을 가능하게 하지 않는지 설명하라.
해설 보기
Alice와 Bob 각각의 측정 결과는 독립적으로 무작위(±1)이다. 상관관계는 두 결과를 대조해야만 드러나는데, 이 대조 자체는 고전 채널(빛 이하 속도)로 이루어져야 한다. Alice가 측정 방향을 바꿔도 Bob의 결과 분포는 변하지 않으므로, Bob이 Alice의 선택을 즉각 알 방법이 없다. 따라서 정보 전달이 불가능하다.