빛의 중첩 상태와 얽힘 상태

빛은 광자라는 입자이지만 파동처럼 간섭과 회절 등의 특성을 보인다. 중첩 상태는 이러한 두 가지 성질이 동시에 존재할 수 있음을 나타내며, 빛은 특정한 상태에서 입자처럼 행동할 수도 있고, 다른 상황에서는 파동처럼 행동할 수도 있다. 중첩 상태에서는 빛이 여러 경로를 동시에 갈 수 있으며, 그 상태를 우리가 측정할 때에는 하나의 경로가 선택된다. 따라서 빛의 중첩 상태는 빛이 입자이면서 동시에 파동의 성질을 가진다는 양자역학적 사실을 나타내는 중요한 개념이다. 두 개의 광자가 얽혀 있을 경우 한 광자의 상태를 측정하면 다른 광자의 상태도 즉시 결정된다. 얽힘은 서로 멀리 떨어져 있어도 영향을 주고받을 수 있기 때문에 비국소성이라고 한다. 중첩 상태와 얽힘 상태의 특성은 양자 컴퓨터나 양자 통신에서 증요한 역할을 한다. 두 광자가 얽힌 상태에서 각 광자의 편광(광파의 진행방향)을 측정할 수 있다. 한 광자의 편광이 수평인지 수직인지 측정할 때 다른 광자의 편광도 자동으로 결정된다. 만약에 첫 번째 광자의 편광이 수평이라면 두 번째 광자의 편광은 수직으로 결정되고, 첫 번째가 수직이라면 두 번째는 수평으로 결정된다. 하지만 광자의 얽힘 상태에 따라 두 번째 광자의 편광이 첫 번쨰와 반대 방향이 아닐 수도 있다. 만약에 두 광자가 수직 편광이 아닌 다른 각도로 얽혀 있다면 두 번쨰 광자의 편광은 첫 번째 광자의 편광과 다른 각도로 나올 수 있다. 두 광자의 스핀 상태도 얽힐 수 있다. 이 경우 첫 번째 광자의 스핀을 측정하면 두 번째 광자의 스핀 방향도 즉시 결정된다. 첫 번째 광자의 스핀이 위쪽으로 측정하면 두 번쨰 광자는 아래쪽으로 결정된다. 이러한 얽힘 현상은 두 광자가 서로 멀리 떨어져 있더라도 한 광자의 상태를 측정하는 순간 다른 광자의 상태가 즉시 결정된다는 비국소성을 보여준다. 이는 양자역학에서 정보가 빛의 속도를 초과하여 전달된다는 것처럼 보일 수 있지만 실제로는 양자 얽힘이 정보를 직접 전달하는 것이 아니라 상태가 서로 얽혀 있다는 사실을 의미한다. 그리고 측정하기 전까지 두 가지 상태는 동시에 존재한다. 광자의 편광 상태나 스핀 상태는 측정하기 전까지 확정되지 않으며, 중첩 상태로 존재한다. 양자 컴퓨터와 양자 통신에서 사용되는 광자를 만드는 방법은 여러 가지가 있다. 반도체 소자에서 비선형 효과를 이용하여 두 개 이상의 광자가 얽히게 만들 수 있다. 예를 들어 펌프 레이저를 사용하여 고에너지 광자를 비선형 매체에 통과시키면 이 고에너지 광자는 두 개의 저에너지 광자가 될 수 있고, 이 두 광자는 얽힌 상태로 방출된다. 즉, 높은 에너지를 가진 펌프 광자(주로 레이저)를 비선형 크리스탈(예:β-붕소산칼슘,BBO)에 투과시키면 그 광자가 두 개의 저에너지 광자로 나누어진다. 이 과정에서 생성되는 두 광자는 얽힘 상태에 있을 수 있다. 반도체 양자 점을 사용할 경우 전자가 높은 에너지 상태에서 낮은 에너지 상태로 전이하면서(떨어질 때) 광자를 방출한다. 이 때 양자 점에서 방출되는 광자는 특정한 양자 상태(편광 중첩, 얽힘 상태)를 가질 수 있다. 예를 들어 두 개의 양자 점에서 각각 다른 편광 상태의 광자가 방출되도록 설계하여 이 광자들이 얽힌 상태가 되도록 할 수 있다. 광섬유의 비선형 성질을 이용하여 고에너지 광자가 두 개의 저에너지 광자로 변환될 때, 이 두 광자가 얽힌 상태가 될 수 있다. 이 방식에서는 보통 펄스 형태로 고에너지 펌프 광자를 광섬유에 통과시키면 그 결과로 두 개의 얽힌 광자가 생성된다. 광섬유에서 얽힘 광자를 생성하기 위해 주파수 변환기가 사용될 수 있다. 주파수 변환기는 주로 광섬유의 비선형 효과를 이용하여 한 주파수의 광자를 변환하는 장치로, 이 과정에서 두 광자가 얽힌 상태로 생성될 수 있다. 주파수 변환을 통해 생성된 광자들은 특정 주파수 범위에서 얽힘 상태를 유지하며, 이를 이용해 양자 컴퓨터와 양자 통신을 구현할 수 있다. 일반적으로 반도체 양자 점은 단일 광자를 방출하는 특성을 가지고 있다. 양자 점에서 전자가 높은 에너지 상태에서 낮은 에너지 상태로 전이하면서 하나의 광자가 방출된다. 이때 방출된 광자는 주로 단일 광자이다. 이 단일 광자는 얽힘 상태를 형성하지 않고, 그 자체로 양자 중첩 상태(편광의 중첩 상태, 스핀의 중첩 상태)만을 가질 수 있다. 특정한 경우 두 양자 점에서 각각 방출된 광자는 서로 얽혀 있으며 얽힌 상태의 광자는 양자 컴퓨터와 양자 통신에서 중요한 역할을 할 수 있다. 반도체 양자 점에서 항상 얽힌 광자가 방출되는 것은 아니지만 특정 설정에서는 얽힌 광자를 생성할 수 있다.