슈뢰딩거의 고양이가 되살아난다면?

양자물리학 설명에 흔히 쓰이는 '슈뢰딩거의 고양이' 사고실험에서 상자 속 고양이는 살아있으면서 죽어있을 수 있고, 상자를 열어보는 순간에야 생사를 알 수 있다.

고양이가 살아있으면서 동시에 죽어있는 상태로 존재할 수 있다는 것은 양자 중첩, 상자를 열어보는 것은 측정에 대한 비유다. 상자를 열어보는 순간 고양이의 상태는 삶과 죽음 어느 한쪽으로 변화되고, 우리는 비로소 고양이의 생사를 알 수 있다.

측정하는 순간에야 상태가 결정된다는 것은 강력한 보안이라는 양자 컴퓨팅의 장점의 근원이다. 그런데 측정 순간 결정된 변화를 나중에 원래 상태로 되돌릴 수 있다면? 최근 학계에서는 양자 측정의 결과를 측정 전으로 되돌릴 수 있다는 사실이 알려졌다. 초기 양자상태로 되돌릴 확률이 있으면 양자 암호통신의 안전성은 보장되지 않는다.

그럼에도 양자 기술은 원리적으로 해킹 등의 외부 위협에 안전하다는 사실을 국내 연구진이 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 양자정보연구단 홍성진, 임향택, 이승우 박사팀이 양자 측정에서 완벽한 정보 보존 관계식을 최초로 유도하고 검증했다고 7일 밝혔다.

양자역학에서 측정을 완전하게 하지 못한 '약학 측정'이 일어난 경우 '되돌림'을 통해 측정 대상의 상태를 원래대로 되돌릴 가능성이 있다. 상자를 살짝 열어 고양이의 꼬리만 보았다면, 고양이의 운명을 원래대로 되돌릴 수도 있다는 말이다.

따라서 약한 측정을 통해 얻은 정보(정보 이득)와 변화한 상태에 대한 정보(상태 변화), 되돌림 확률을 모두 고려한 '양자 정보의 보존 관계' 규명은 양자 기술의 안전성 보장을 위한 중요한 과제였다.

연구진은 기존에 알려진 정보 이득과 상태 변화의 관계식을 확장, 되돌림 확률까지 고려한 정보 보존 관계식을 이론적으로 유도했다. 이어 편광판과 편광자 등의 선형 광학소자로 약한 측정과 되돌림 연산을 구현하고 단일 광자로 구현된 3차원 양자 상태에 적용, 정보 이득과 상태 변화, 되돌림 간의 정보 보존 관계를 실험적으로 검증했다.

그 결과, 되돌림에 성공하면 기존에 가진 정보가 사라져 버림을 발견했다. 되돌림이 일어나는 순간 이미 갖고 있던 정보는 사라져 정보의 총량에 차이가 생긴다.