양자 광학 (광자 개념)

광자는 전자기파의 에너지 양자, 즉 빛의 기본 입자 단위이다. 이 개념은 1905년 알베르트 아인슈타인이 광전 효과를 설명하기 위해 제안한 것이 시초로, 맥스 플랑크의 양자 가설을 빛에 적용한 것이다. 아인슈타인은 빛이 에너지 덩어리, 즉 양자 형태로만 방출되고 흡수된다고 주장했으며, 이 양자를 '광양자'라고 불렀다. 이 가설은 당시 지배적이었던 빛의 파동설과 정면으로 배치되어 논란을 일으켰지만, 로버트 밀리컨의 실험을 포함한 후속 연구들에 의해 점차 검증되었다.

1926년 화학자 길버트 뉴턴 루이스가 '광자'라는 용어를 공식적으로 채택하면서 오늘날의 명칭이 정착되었다. 광자 개념의 확립은 양자역학의 발전에 결정적인 역할을 했다. 특히, 아서 콤프턴이 1923년 수행한 콤프턴 산란 실험은 광자가 입자처럼 운동량을 가지며, 전자와 충돌할 때 운동량 보존 법칙을 따른다는 것을 보여주어 광자의 입자성을 강력하게 입증했다.

광자는 질량이 0이며, 진공에서 항상 광속으로 운동하는 기본 입자이다. 그 에너지는 플랑크 상수와 진동수에 비례하며(E = hν), 운동량은 에너지를 광속으로 나눈 값(p = hν/c)을 가진다. 이러한 특성은 광자가 파동-입자 이중성을 명확하게 보여주는 대표적인 사례가 되게 한다. 광자는 전자기 상호작용의 게이지 보손으로, 광자의 발견과 정립은 고전 물리학에서 현대 양자장론으로의 패러다임 전환을 이끈 핵심 개념 중 하나이다.

광자의 에너지는 그 진동수에 비례한다. 이 관계는 맥스 플랑크가 흑체 복사 문제를 해결하기 위해 제안한 양자 가설에서 비롯되었다. 광자의 에너지 E는 진동수 ν와 플랑크 상수 h를 사용해 E = hν로 주어진다. 이는 광전 효과를 설명하는 핵심 공식이기도 하다. 빛의 파장 λ를 사용하면, E = hc/λ로도 표현할 수 있으며, 여기서 c는 진공에서의 빛의 속도이다.

광자는 질량이 0이지만 운동량을 가진다. 알베르트 아인슈타인이 제안한 상대성 이론에 따르면, 에너지와 운동량은 E² = (pc)² + (mc²)²의 관계를 가진다. 광자의 질량 m=0이므로, 이 관계식은 E = pc로 단순화된다. 따라서 광자의 운동량 p는 p = E/c = hν/c = h/λ로 주어진다. 이 운동량은 매우 작지만, 실험적으로 검증 가능하며, 광압이나 콤프턴 산란과 같은 현상을 설명한다.

에너지와 운동량의 관계를 요약하면 다음과 같다.

이러한 에너지와 운동량의 양자화는 광자가 단순한 파동이 아닌, 입자적인 성질을 지닌 양자임을 보여준다. 이는 고전 물리학에서는 예측할 수 없었던 현상으로, 양자역학의 토대를 마련하는 중요한 개념이 되었다.

광자는 파동-입자 이중성을 명확히 보여주는 대표적인 예시이다. 이 개념은 빛이 상황에 따라 파동과 입자, 두 가지 성질을 모두 나타낸다는 것을 의미한다. 고전적인 간섭이나 회절 실험에서는 빛이 파동처럼 행동하는 반면, 광전 효과나 콤프턴 산란과 같은 현상에서는 빛이 입자(광자)의 성질을 보인다.

이러한 이중성은 양자역학의 핵심 원리 중 하나로, 빛뿐만 아니라 전자와 같은 물질 입자에서도 관찰된다. 광자의 경우, 특정 실험 조건이 그 성질을 결정한다. 예를 들어, 이중 슬릿 실험에서 단일 광자를 하나씩 발사하더라도, 충분히 많은 광자가 축적되면 파동 특성인 간섭 무늬가 나타난다[1]. 이는 각 광자가 두 개의 슬릿을 동시에 통과하는 파동 같은 성질을 지님을 시사한다.

파동성과 입자성은 상호 배타적인 것으로 보이지만, 보어의 상보성 원리에 따르면 이 두 가지 측면은 빛의 완전한 기술을 위해 상호 보완적이다. 광자의 에너지와 운동량은 입자적 특성으로 설명되는 반면, 위상과 파장은 파동적 특성과 연결된다. 현대 물리학에서는 광자를 파동 함수가 아닌, 양자장론의 관점에서 전자기장의 여기로 기술한다.

자발 방출은 들뜬 상태에 있는 원자나 분자가 외부 자극 없이 스스로 안정된 상태로 돌아가면서 광자를 방출하는 과정이다. 이 현상은 방사성 붕괴와 유사하게 일정한 확률로 발생하며, 방출되는 광자의 위상, 편광, 진행 방향은 무작위적이다. 일반적인 빛의 대부분, 예를 들어 백열등이나 형광 물질에서 나오는 빛은 이 자발 방출에 의해 생성된다.

반면, 유도 방출은 외부에서 들어오는 광자의 자극에 의해 동일한 에너지, 위상, 편광, 진행 방향을 가진 새로운 광자를 추가로 방출하는 현상이다. 이 개념은 알베르트 아인슈타인이 1917년 흑체 복사 이론을 설명하기 위해 도입하였다[3]. 유도 방출은 입사 광자의 전기장이 원자의 쌍극자 모멘트와 상호작용하여 전이를 유도함으로써 발생한다.

두 과정은 레이저의 작동 원리를 이해하는 데 핵심적이다. 레이저 매질 내에서 전자가 높은 에너지 준위로 들뜨면, 먼저 자발 방출이 일부 발생한다. 이렇게 방출된 광자가 다른 들뜬 원자를 지나가면 유도 방출을 일으켜 동일한 특성을 가진 광자를 복제한다. 이 과정이 반복되어 증폭된 일관된 빛, 즉 레이저 빔이 생성된다. 유도 방출의 확률은 입사하는 복사장의 에너지 밀도에 비례한다.

광전 효과는 금속 표면에 빛을 비추었을 때 전자가 방출되는 현상이다. 이 현상은 고전 전자기학으로 설명되지 않았으며, 알베르트 아인슈타인이 1905년 광자 개념을 도입하여 성공적으로 설명했다[4].

아인슈타인의 설명에 따르면, 빛은 에너지가 E = hν인 광자들로 구성된다. 여기서 h는 플랑크 상수이고 ν는 빛의 진동수이다. 금속 내의 전자가 하나의 광자를 흡수하면, 광자의 에너지를 얻는다. 이 에너지가 전자가 금속을 탈출하는 데 필요한 일함수 Φ보다 크면 전자가 방출된다. 방출된 전자(광전자)의 최대 운동 에너지는 다음 식으로 주어진다.

K_max = hν - Φ

이 식은 빛의 세기와 관계없이 진동수에만 의존함을 보여주며, 진동수가 문턱값 ν_0 = Φ/h보다 낮으면 아무리 강한 빛을 쬐어도 전자가 방출되지 않는다.

광전 효과는 빛의 입자적 성질을 직접적으로 증명하는 핵심 현상이다. 주요 실험적 특징은 다음과 같다.

이러한 실험 결과는 빛이 파동이 아닌 에너지 덩어리인 광자로 구성되어 있음을 확립했으며, 양자역학 발전의 초기 기둥이 되었다.

광자 계수기는 개별 광자를 검출하고 그 수를 세는 장치이다. 이는 매우 낮은 수준의 빛을 측정하는 양자 광학 실험의 핵심 장비로 활용된다.

광자 계수기의 작동 원리는 일반적으로 광전 효과에 기반한다. 입사한 광자가 감광 물질(예: 실리콘 광다이오드 또는 초전도 나노선)과 상호작용하여 전자를 방출시키면, 이로 인해 생성된 전기 신호를 증폭하여 광자의 도착을 하나의 펄스로 기록한다. 주요 유형으로는 광전증배관, 애벌랜치 광다이오드, 초전도 광자 계수기 등이 있다. 각 유형은 효율성, 시간 분해능, 암계수[5] 등에서 차이를 보인다.

이러한 장치는 단일 광자 실험, 양자 암호 통신, 형광 분광학, 천문학의 저광량 관측 등 다양한 분야에서 필수적이다. 특히 양자 정보 처리에서는 얽힌 광자 쌍의 검출이나 양자 중첩 상태의 측정에 광자 계수기가 결정적인 역할을 한다.

광자 수 상태는 양자 광학에서 광자의 개수가 명확하게 정의된 양자 상태를 가리킨다. 이 상태는 파동 함수나 상태 벡터로 기술되며, 광자의 수를 나타내는 양자수 n을 사용하여 |n⟩으로 표기한다. 여기서 n은 0 또는 양의 정수 값을 가진다. 이 상태는 에너지 고유 상태이기도 하며, 양자 조화 진동자의 에너지 준위와 직접적으로 연결된다[7].

광자 수 상태의 주요 특징은 광자의 수에 대한 불확실성이 0이라는 점이다. 즉, 상태 |n⟩에서 광자의 수는 정확히 n개이다. 그러나 전기장과 자기장의 세기, 즉 진폭에 대한 불확실성은 매우 크다. 이는 불확정성 원리의 한 예시로, 입자 수와 위상(또는 진폭)이 서로 정준 공액 변수와 유사한 관계에 있기 때문이다. 이러한 상태는 실험적으로 완벽하게 구현하기 어렵지만, 이론적 분석의 기초가 되는 중요한 개념이다.

광자 수 상태는 응집 상태와 대비된다. 응집 상태는 광자 수가 명확하지 않은 대신, 전기장의 진폭이 비교적 잘 정의된 준고전적 상태이다. 광자 수 상태는 양자 정보 과학에서 중요한 자원으로 활용되며, 특히 단일 광자원을 구현하는 이론적 모델을 제공한다. 또한, 양자 광학 실험에서 광자 간의 상관 관계를 분석하는 데 필수적인 도구이다.

응집 상태는 양자 광학에서 광자장의 양자 상태를 기술하는 중요한 개념 중 하나이다. 이 상태는 고전적인 전자기파의 진동과 가장 유사한 양자적 특성을 보인다. 응집 상태는 불확정성 원리에 의해 규정되는 최소 불확정성 상태로, 전기장과 자기장의 진폭에 대한 양자 요동이 균형을 이루고 있다.

응집 상태는 광자 수 상태와 달리, 광자 수가 명확히 정의되지 않은 상태이다. 대신, 이 상태는 복소수 α로 표시되는 응집 파라미터에 의해 정의된다. 이 파라미터의 절댓값 제곱 |α|²는 장 내의 평균 광자 수를 나타내며, 위상은 고전적 전자기파의 위상에 해당한다. 응집 상태에서 광자 수의 분포는 포아송 분포를 따르는 것이 특징이다.

응집 상태의 중요한 성질 중 하나는 광자 소멸 연산자의 고유상태라는 점이다. 이로 인해 응집 상태는 양자 광학 실험에서 레이저 광과 매우 유사하게 행동하며, 실제로 이상적인 단일 모드 레이저의 출력은 응집 상태로 근사할 수 있다. 또한, 응집 상태는 여러 모드에 걸쳐 정의될 수 있으며, 이를 통해 양자 얽힘 상태를 생성하는 데 활용되기도 한다.

양자 얽힘 상태는 두 개 이상의 광자가 서로 독립적으로 기술될 수 없는 강한 상관관계를 맺은 상태를 가리킨다. 이 상태에서 개별 광자의 양자 상태는 정의되지 않으며, 전체 시스템의 상태만이 의미를 가진다. 예를 들어, 편광이 얽힌 두 광자 쌍은 '수평-수직' 또는 '수직-수평'의 조합으로만 존재할 수 있고, 각 광자가 어떤 편광을 가질지는 측정하기 전까지 결정되지 않는다. 그러나 한 광자의 편광을 측정하는 순간, 멀리 떨어진 다른 광자의 상태도 즉시 결정된다. 이러한 비국소적 상관관계는 고전 물리학으로는 설명할 수 없는 양자 역학의 핵심 현상이다.

광자의 얽힘은 주로 비선형 결정을 통한 자발적 매개변수 하향 변환 과정을 통해 생성된다. 이 과정에서 하나의 고에너지 펌프 광자가 결정 내에서 두 개의 저에너지 얽힌 광자 쌍으로 분리된다. 생성된 쌍광자는 에너지, 운동량, 편광 등에서 보존 법칙에 의해 연결되어 얽힌 상태를 이룬다. 얽힘의 종류는 편광 얽힘, 시간-에너지 얽힘, 모드 얽힘 등 다양하며, 실험 목적에 맞게 조절하여 생성할 수 있다.

양자 얽힘 상태는 양자 정보 과학의 기초 자원으로 간주된다. 다음 표는 광자 얽힘을 활용한 주요 응용 분야를 정리한 것이다.

이러한 응용들은 얽힘 상태가 단순한 이론적 호기심을 넘어 실용적인 양자 기술의 핵심 요소임을 보여준다. 특히 벨 부등식을 위반하는 실험적 결과는 광자 얽힘의 비국소적 성질을 확증하며, 국소적 숨은 변수 이론을 배제하는 결정적 증거가 되었다.

원자와 광자의 상호작용은 양자 광학의 핵심 연구 주제 중 하나이다. 이 상호작용은 기본적으로 세 가지 과정, 즉 흡수, 자발 방출, 유도 방출을 통해 이루어진다. 원자가 에너지 준위 차이에 해당하는 에너지를 가진 광자를 흡수하면, 원자는 낮은 에너지 상태에서 높은 에너지 상태로 여기된다. 반대로, 여기된 원자는 불안정하여 광자를 방출하며 다시 바닥 상태로 돌아가는데, 이는 외부 자극 없이 발생하는 자발 방출과, 입사광자의 존재에 의해 유발되는 유도 방출로 나뉜다.

이러한 기본 과정은 레이저의 작동 원리를 설명하는 기초가 된다. 레이저는 유도 방출 과정을 통해 동일한 위상, 파장, 진행 방향을 가진 간섭성 빛을 증폭하여 생성한다. 또한, 원자와 광자의 상호작용 강도는 라비 진동이라는 현상을 통해 이해할 수 있다. 이는 강한 공명 광자장 안에서 원자의 여기 상태 확률이 진동하는 현상으로, 양자 제어의 중요한 도구로 활용된다.

원자-광자 상호작용의 정밀한 제어는 다양한 현상을 유도한다. 예를 들어, 전자기 유도 투명성은 제어광 레이저를 이용해 매질이 특정 파장의 탐사광에 대해 투명해지게 만드는 효과이다. 또한, 광자 결정과 같은 구조물에 원자를 도입하면, 광자의 국소화와 원자의 자연 방출률 변화를 관찰할 수 있으며, 이는 공동 양자 전기역학 연구의 주요 대상이다.

공동 양자 전기역학은 광자가 광학 공동 또는 공진기 내에 갇혔을 때 발생하는 현상과 그 상호작용을 연구하는 양자 전기역학의 한 분야이다. 이는 빛과 물질의 상호작용을 극대화하고 제어하는 데 핵심적인 역할을 한다.

공동 내부는 빛이 특정 공진 모드로 제한되어, 진공 상태보다 훨씬 강한 전자기장을 생성할 수 있다. 이렇게 강화된 장 안에 원자, 양자점, 초전도 큐비트 같은 양자계를 배치하면, 이들 사이의 결맞음 상호작용이 크게 증폭된다. 이러한 강한 결맞음 결합 상태에서는 광자와 물질이 서로의 상태를 빠르게 교환하며, 새로운 하이브리드 양자 상태인 편극자가 형성되기도 한다[9].

공동 양자 전기역학의 주요 실현 방식과 특성은 다음과 같다.

이 분야는 양자 정보 과학의 기초 기술을 제공한다. 강하게 결합된 시스템에서는 단일 광자의 흡수와 방출 과정이 완전히 가역적으로 이루어져, 양자 비트의 상태를 광자에 저장하거나 전달하는 양자 메모리 및 양자 네트워크의 기본 단위로 기능한다. 또한, 공동 내의 손실을 최소화함으로써 광자의 결맞음 시간을 연장시켜, 보다 복잡한 양자 연산을 가능하게 한다.

비선형 광학은 강한 빛(레이저)이 물질과 상호작용할 때, 물질의 반응이 입사하는 빛의 세기에 비례하지 않는 현상을 연구하는 분야이다. 선형 광학에서는 물질의 분극이 빛의 전기장 세기에 정비례하지만, 빛의 세기가 매우 강해지면(일반적으로 레이저 빔에서) 분극 응답에 고차항이 중요해진다. 이는 맥스웰 방정식이 비선형 편미분 방정식이 되는 근본적인 이유를 제공하며, 다양한 새로운 광학 현상을 일으킨다.

비선형 광학 효과는 광자의 생성, 소멸 또는 변환 과정으로 설명된다. 대표적인 2차 비선형 과정인 주파수 합성에서는 두 개의 광자가 소멸하고 그 에너지의 합에 해당하는 하나의 새로운 광자가 생성된다. 반대로, 하향 변환에서는 하나의 고에너지 광자가 두 개의 저에너지 광자로 분열한다. 3차 비선형 과정에는 광학 캐리어 자기변조와 자기 초점 현상 등이 있으며, 이는 빛이 빛의 세기에 의해 매질의 굴절률을 변화시키는 효과에서 비롯된다.

이러한 효과들은 특정한 대칭 조건을 만족하는 비선형 광학 결정에서 가장 효율적으로 일어난다. 비선형 광학은 고효율 레이저의 파장 변환, 양자 정보 과학을 위한 얽힌 광자쌍의 생성, 그리고 극한의 빛의 세기를 다루는 초강력 레이저 물리학의 핵심 기반이 된다.

양자 정보 처리 분야는 광자를 정보의 기본 단위인 큐비트의 물리적 구현체로 활용한다. 광자는 환경과의 상호작용이 약해 양자 결맞음을 오래 유지할 수 있으며, 광섬유나 자유 공간을 통해 정보를 빠르게 전송할 수 있다는 장점을 지닌다.

광자를 이용한 대표적인 양자 정보 처리 방식으로는 선형 광학 양자 계산이 있다. 이 방법은 빔 스플리터, 위상 지연기, 광자 검출기 등의 소자로 구성된 회로를 통해 광자를 조작한다. 단일 광자나 응집 상태의 광자가 이러한 회로를 통과하면서 양자 게이트 연산이 수행된다. 예를 들어, CNOT 게이트나 Hadamard 게이트의 기능을 광학적으로 구현할 수 있다[12].

또한, 광자는 양자 네트워크를 구축하는 데 필수적이다. 멀리 떨어진 양자 메모리나 처리 노드 사이에 양자 얽힘을 분배하기 위한 매개체로 사용된다. 이를 위해 양자 중계 기술이 개발되었으며, 광자의 양자 상태를 중간 지점에서 증폭하지 않고도 전송 거리를 늘리는 데 성공하였다. 이러한 기술들은 궁극적으로 분산형 양자 컴퓨터나 안전한 양자 인터넷의 실현을 위한 기반을 제공한다.

양자 암호 통신은 광자의 양자적 성질을 이용하여 정보를 암호화하고 안전하게 전송하는 기술이다. 이 기술의 핵심은 양자 얽힘 상태에 있는 광자 쌍이나 단일 광자의 양자 상태를 정보의 매개체로 사용하는 데 있다. 전통적인 암호 체계의 안전성이 계산의 복잡성에 기반하는 반면, 양자 암호 통신은 양역학의 근본 원리, 특히 양자 비복제 정리와 불확정성 원리에 그 보안성을 근거로 둔다[13].

가장 잘 알려진 양자 암호 통신 프로토콜은 BB84 프로토콜이다. 이 방식에서는 송신자(일반적으로 앨리스)가 서로 다른 두 기저(예: 수직/수평 편광 또는 대각선 편광) 중 하나를 무작위로 선택하여 광자의 편광 상태를 준비하여 보낸다. 수신자(밥)도 무작위로 기저를 선택하여 측정한다. 이후 공개 채널을 통해 사용한 기저만을 비교하고, 일치하는 기저에서 측정한 결과만을 비밀 키로 사용한다. 도청자(이브)가 중간에서 광자를 가로채 측정하려 하면, 그 과정에서 양자 상태가 교란되어 앨리스와 밥의 키 불일치율에서 이상 신호를 발생시켼 도청 사실이 발각된다.

양자 암호 통신 시스템의 주요 구성 요소와 기술적 도전은 다음과 같다.

이 기술은 이미 금융, 정부 기관, 군사 분야에서 시범 네트워크로 운용되고 있으며, 위성을 이용한 글로벌 양자 통신 네트워크 구축을 위한 실험도 진행 중이다.

레이저의 발명과 단일 광자를 다루는 기술의 발전은 측정 과학에 혁명을 가져왔다. 광자의 양자적 특성을 이용하면 고전적인 측정 방법의 한계를 넘어서는 정밀도를 달성할 수 있다. 이러한 기술은 양자 메트롤로지의 핵심을 이루며, 기본 물리 상수의 결정부터 실용적인 센서 기술에 이르기까지 광범위하게 응용된다.

대표적인 예로 레이저 냉각과 광학 포획 기술을 이용한 원자 시계가 있다. 이 시계는 세슘 원자의 미세한 에너지 준위 간 전이에 해당하는 마이크로파 광자의 주파수를 기준으로 시간을 측정한다. 광자와 원자의 정밀한 상호작용을 통해 구현된 현대 원자 시계의 정확도는 100억 년에 1초도 틀리지 않을 정도로 높아, GPS와 같은 글로벌 포지셔닝 시스템의 핵심 기반 기술이 되었다.

또 다른 중요한 분야는 중력계와 회전센서이다. Sagnac 효과를 이용한 레이저 자이로스코프는 고정밀 관성 항법에 사용된다. 더 나아가, 양자 얽힘 상태나 응집 상태와 같은 특수한 양자 상태의 광자를 이용하면 측정의 정밀도를 표준 양자 한계 이상으로 높일 수 있는 양자 중첩 기반 측정이 가능해진다. 이는 중력파 검출기인 LIGO와 같은 초정밀 간섭계의 성능을 획기적으로 개선할 잠재력을 가지고 있다.

단일 광자 실험은 광자가 더 이상 나눌 수 없는 양자화된 에너지 덩어리, 즉 기본 입자 단위로 존재함을 직접적으로 증명하는 실험들을 가리킨다. 이러한 실험들은 양자역학의 기초를 검증하고, 광자의 양자적 특성을 연구하는 데 핵심적인 역할을 한다. 초기 실험들은 주로 매우 약한 광원을 사용하여 통계적 방법으로 간접적으로 단일 광자 현상을 관찰했으나, 현대 기술은 개별 광자를 생성, 조작, 검출하는 수준에 이르렀다.

가장 유명한 초기 실험 중 하나는 1909년에 수행된 제프리 인그램 테일러의 실험이다. 그는 광원을 극도로 약하게 만들어 사진 건판에 간섭 무늬를 기록했고, 빛의 세기가 매우 낮아도 여전히 파동적인 간섭 무늬가 나타남을 보였다[15]. 이는 개별 광자가 스스로 간섭할 수 있음을 시사하는 결과였다. 보다 직접적인 증거는 광전 효과 실험과 아서 컴프턴의 콤프턴 산란 실험을 통해 제시되었다.

현대의 단일 광자 실험은 주로 양자점, 색센터, 또는 자발 방출을 이용한 단일 광자원을 활용한다. 아래 표는 주요 단일 광자 생성 방법과 특징을 비교한 것이다.

이러한 광원에서 생성된 단일 광자는 광자 계수기나 초전도 단일 광자 검출기(SSPD)를 통해 검출된다. 특히, 홍-오-만델 효과 실험은 두 개의 동일한 단일 광자가 빔 스플리터에 동시에 도달하면, 양자 간섭으로 인해 항상 같은 출력 경로로 쌍을 이루어 나간다는 것을 보여주었다. 이 효과는 광자가 구별 불가능한 보손임을 입증하며, 양자 정보 처리와 양자 암호 통신의 기초가 된다.

벨 부등식 실험은 양자역학의 예측이 국소적 숨은 변수 이론과 양립할 수 없음을 검증하기 위해 설계된 일련의 실험을 가리킨다. 1964년 존 스튜어트 벨이 제안한 벨 부등식은 국소적 숨은 변수 이론이 만족해야 하는 통계적 제약 조건을 수학적으로 표현한 것이다. 만약 실험 결과가 이 부등식을 위반한다면, 국소적 숨은 변수 이론으로는 양자역학의 예측을 설명할 수 없음을 의미한다[16].

초기 실험은 주로 양자 얽힘 상태에 있는 광자 쌍을 사용하여 수행되었다. 얽힘된 광자 쌍은 편광이나 운동량과 같은 물리적 속성이 서로 강하게 상관관계를 가지며, 멀리 떨어져 있어도 한쪽을 측정하면 다른 쪽의 상태가 즉시 결정되는 양자역학적 현상을 보인다. 대표적인 실험 구성은 다음과 같다.

알랭 아스페의 1982년 실험을 시작으로, 이후 여러 연구팀이 더 정교한 실험을 수행하여 국소적 숨은 변수 이론이 예측하는 상한치를 명확히 넘어서는 부등식 위반 결과를 얻었다. 이러한 결과는 양자 비국소성을 강력히 지지하며, 양자역학이 지닌 본질적인 비국소적 특성을 입증했다. 이 실험들은 양자 정보 과학의 기초를 마련하는 데 결정적인 역할을 했다.