엘리추어–바이드만 폭탄 실험

엘리추어–바이드만 폭탄 실험(영어: Elitzur–Vaidman bomb tester)은 양자 중첩과 간섭 원리에 기반해 상호작용 없이 폭탄이 기능 상태인지 확인할 수 있는 사고 실험이며, 이는 상호작용 없는 측정(interaction‑free measurement)의 대표적 예이다. 1993년 Avshalom Elitzur와 Lev Vaidman이 제안하였으며 이후 실험적으로도 구현되었다.

실험 개요

• 실험은 Mach–Zehnder 간섭계를 사용하며, 광자를 처음 빔스플리터를 통해 두 개의 경로로 분리하여 중첩 상태로 만든다.
• 그 중 한 경로에는 '실제 폭탄(live bomb)'을, 다른 하나에는 대조적 조건을 둔다.
• 폭탄이 작동 중일 경우, 광자가 그 경로에 닿는 순간 폭발하지만, 불발(dud)인 경우에는 통과하여 두 경로 간섭이 유지된다.
• 최종적으로 간섭 결과에 따라 두 검출기(C, D 중 하나)에 광자가 검출되거나, 폭발로 인해 검출되지 않는다.

결과 가능성

폭탄 상태	결과	확률
작동 중 (live)	폭탄 폭발 (광자 없음)	50%
작동 중	C 검출기에서 광자 감지 (간섭 없음)	25%
작동 중	D 검출기에서 광자 감지 (간섭 없음, 폭발 없이 작동 확인)	25%
불발 (dud)	항상 C 검출기에서 감지 (간섭 유지)	100%

이 실험 구조를 통해, D 검출기 반응은 폭탄이 실제로 작동 중임을 폭발 없이 확인할 수 있는 "상호작용 없는 측정"의 사례가 된다. 이론적으로는 전체 중 약 25%의 작동 중 폭탄을 폭발 없이 탐지할 수 있다.

실험적 구현 및 개선

• 1994년, Zeilinger, Kwiat, Weinfurter, Herzog 등이 실험적으로 해당 효과를 검증했다.
• 1996년 Kwiat 등은 다중 편광 장치(sequence of polarising devices)를 활용해 성공 확률을 이론적으로 100%에 가깝게 높일 수 있는 방법을 제안했다.
• 2016년에는 Robens 외 연구팀이 단일 원자 기반 실험을 통해 상호작용 없는 측정을 Leggett–Garg 부등식 위반 형태로 구현했다.

해석 및 의의

• 이 실험은 상호작용 없이 정보를 획득하는 양자적 가능성을 보여주며 고전적 직관에 큰 도전을 제기한다.
• 다중 세계 해석(Many‑Worlds Interpretation)에서는, 폭탄이 폭발한 세계와 폭발하지 않은 세계가 모두 존재하며, D 검출기 반응은 폭발하지 않은 세계에서의 결과로 해석된다.
• 이러한 상호작용 없는 측정(interaction‑free measurement) 개념은 양자 비파괴 측정이나 양자 정보 기술에도 응용될 수 있다.