양자 얽힘

중첩이 입자 하나에 대한 이야기였다면, 얽힘은 두 입자에 대한 이야기입니다. 예를 들어 스핀의 합이 0인 상태에서 두 전자가 갈라져 나오면, 둘의 상태는 '(A 위, B 아래)'와 '(A 아래, B 위)'의 중첩이 됩니다. 여기서 A만 따로 떼어 '이런 상태다'라고 말할 방법이 없습니다. 상태는 두 입자에 통째로 붙어 있습니다.

A를 측정해 위로 나왔다면, 그 순간 B는 아래로 확정됩니다. 두 입자가 몇 광년 떨어져 있어도 그렇습니다. 아인슈타인은 이것이 '유령 같은 원격 작용'이라며, 사실은 처음부터 답이 정해져 있는데 양자역학이 그 정보를 담지 못하는 불완전한 이론일 뿐이라고 주장했습니다(EPR 논증). 즉 두 입자가 '숨은 변수'를 나눠 갖고 출발했다는 것입니다.

이 논쟁은 철학이 아니라 실험으로 결판났습니다. 벨은 '숨은 변수가 미리 정해져 있고 그 정보가 빛보다 빠르게 전달되지 않는다면' 여러 각도에서 잰 측정 결과들의 상관관계가 반드시 만족해야 하는 부등식을 유도했습니다(벨 부등식). 실제 실험 결과는 이 부등식을 어기고, 양자역학의 예측과 일치했습니다. 결론은 '미리 정해져 있었다'는 그림이 틀렸다는 것입니다.

그렇다면 정보가 빛보다 빨리 간 것일까요 — 아닙니다. A를 잰 사람은 자기 결과가 위인지 아래인지를 고를 수 없고, 무작위로 나옵니다. B 쪽에서 보면 여전히 반반의 무작위입니다. 두 결과를 나란히 놓고 비교해야 비로소 상관관계가 보이는데, 그 비교를 하려면 일반적인 통신으로 결과를 보내야 하고 그것은 빛보다 빠를 수 없습니다.