양자 얽힘 (Quantum Entanglement)

1935년, 알베르트 아인슈타인, 보리스 포돌스키, 네이선 로젠이 공동으로 발표한 논문 "Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?"[4]에서 제기된 사고 실험이다. 이 논문은 닐스 보어가 주도한 코펜하겐 해석의 표준 양자역학이 불완전하다고 주장하기 위해 고안되었다.

EPR 역설의 핵심은 두 개의 입자가 얽힌 상태에서 한 입자의 상태를 측정하면, 멀리 떨어진 다른 입자의 상태가 즉시 결정된다는 점을 지적하는 것이다. 예를 들어, 총 스핀이 0인 두 입자 쌍이 멀리 떨어져 있을 때, 한 입자의 스핀을 위쪽으로 측정하면 다른 입자의 스핀은 반드시 아래쪽이 된다. EPR은 이 '유령 같은 원격 작용'이 상대성이론이 규정하는 정보의 전달 속도 한계(광속)를 위반하는 것으로 보인다고 지적하며, 이는 양자역학이 완전하지 않음을 의미한다고 주장했다. 그들은 측정 전부터 각 입자가 명확한 상태 값을 갖는 '숨은 변수'가 존재할 것이라고 가정했다.

이 역설은 양자역학의 근본적 성격, 즉 국소성과 실재론에 대한 철학적 논쟁을 촉발시켰다. 아인슈타인이 주장한 '국소적 실재론'은 물리적 실재의 속성은 측정 전부터 존재하며(실재론), 멀리 떨어진 사건이 초광속으로 영향을 미칠 수 없다(국소성)는 입장이다. EPR 역설은 이러한 관점과 양자역학의 예측이 양립할 수 없음을 보여주었다. 이 논쟁은 수십 년 후 존 스튜어트 벨이 제안한 벨 부등식과 이를 검증하는 실험적 장치를 마련하는 이론적 토대가 되었다.

존 스튜어트 벨은 1964년 논문에서 국소적 은닉 변수 이론이 양자역학의 예측과 구별될 수 있는 검증 가능한 조건을 제시했다. 이 조건이 바로 벨 부등식이다. 벨 부등식은 국소성과 실재성[5]을 동시에 만족하는 모든 이론이 지켜야 할 통계적 한계를 수학적으로 표현한 것이다. 양자역학은 특정 얽힘 상태에서 이 부등식을 명백히 위반할 것을 예측했다.

초기 실험은 주로 광자의 편광 상태를 이용해 수행되었다. 1972년 존 프랜시스 클라우저와 스튜어트 프리드먼이 최초로 벨 부등식 위반을 보이는 실험 결과를 발표했으나, 실험 장치의 한계로 '국소성 루프홀'[6]이 완전히 차단되지 않았다는 비판이 있었다. 1980년대 초 알랭 아스페의 연구팀은 더 정교한 실험을 설계하여, 두 측정 장치 사이의 거리를 멀리 하고 측정 방향을 빠르게 무작위로 변경함으로써 국소성 루프홀을 효과적으로 차단했다. 그 결과는 양자역학의 예측과 일치하며 벨 부등식을 위반하는 것이었다.

이후 기술이 발전하면서 더욱 정밀한 실험이 이어졌다. 1998년에는 안톤 차일링거의 연구팀이 빛의 속도로 통신이 이루어져도 측정 설정 정보가 전달될 시간이 없을 정도로 거리를 벌린 실험을 성공시켰다. 2015년과 2016년에는 여러 독립 연구팀이 '국소성'과 '측정 독립성'[7] 루프홀을 동시에 차단하는 '무루프홀' 실험을 발표하며, 양자 얽힘 현상이 국소적 실재론과 양립할 수 없음을 확고히 입증했다.

이러한 일련의 실험적 검증은 벨 부등식이 자연계에서 위반된다는, 즉 국소적 은닉 변수 이론이 성립할 수 없음을 보여주었다. 이 결과는 양자역학이 본질적으로 비국소적이며, 양자 얽힘이 단순한 이론적 개념이 아니라 물리적 실재임을 강력하게 지지하는 증거가 되었다.

양자 얽힘 상태는 두 개 이상의 양자 계가 하나의 단일 파동 함수로 기술되는 상태를 의미한다. 이러한 상태에서는 개별 계의 상태가 독립적으로 정의되지 않으며, 계들 사이의 상관관계가 고전적 상관관계를 초월한다. 가장 단순한 예는 두 개의 큐비트로 구성된 시스템이다.

두 큐비트 시스템의 일반적인 얽힘 상태는 벨 상태의 중첩으로 표현될 수 있다. 네 개의 표준 벨 상태는 다음과 같다.

여기서 \|0⟩과 \|1⟩은 각 큐비트의 계산 기저 상태를 나타내며, 예를 들어 \|01⟩은 첫 번째 큐비트는 0 상태, 두 번째 큐비트는 1 상태에 있음을 의미한다. 이러한 벨 상태들은 모두 최대 얽힘 상태이며, 두 큐비트의 부분 트레이스를 취하면 최대 혼합 상태가 된다. 이는 개별 큐비트의 상태에 대한 정보가 전혀 없지만, 두 큐비트 사이의 상관관계는 완벽하다는 것을 보여준다.

얽힘의 정도를 정량화하는 척도로는 여러 가지가 존재한다. 두 큐비트 시스템의 경우, 얽힘 엔트로피나 결맞음을 통해 측정할 수 있다. 보다 일반적인 다체계 얽힘의 경우, 슈미트 분해가 핵심적인 수학적 도구로 사용된다. 슈미트 분해는 두 부분 시스템으로 구성된 결맞은 상태를, 각 부분 시스템의 정규직교기저를 사용한 단일한 중첩 형태로 표현할 수 있게 한다. 이때 슈미트 계수의 제곱합은 1이 되며, 슈미트 계수가 하나만 0이 아니고 나머지는 모두 0이면 그 상태는 분리가능 상태이다. 하나 이상의 0이 아닌 슈미트 계수가 존재하면 그 상태는 얽힘 상태이다.

국소성 원리는 물리적 상호작용이 광속보다 빠르게 전파될 수 없다는 원리이다. 즉, 한 지점에서 발생한 사건이 다른 지점에 영향을 미치려면 그 정보가 빛의 속도로 전달되는 시간이 필요하며, 공간적으로 떨어진 두 시스템은 서로 독립적으로 행동해야 한다. 이는 고전 물리학과 상대성 이론의 근간을 이루는 개념이다.

그러나 양자 얽힘 현상은 이 국소성 원리를 근본적으로 위반하는 것으로 보인다. 얽힘 상태에 있는 두 입자(예: 광자 쌍)는 멀리 떨어져 있더라도, 한쪽 입자의 상태를 측정하는 순간 다른 쪽 입자의 상태가 즉시 결정된다. 이 '순간적인 상관관계'는 정보가 빛보다 빠르게 전달되는 것처럼 보이게 만든다. 이는 알베르트 아인슈타인이 "먼 거리에서의 유령 같은 작용"이라고 비판한 바 있다.

이 충돌을 명확히 보여주는 것이 벨 부등식 실험이다. 존 스튜어트 벨은 국소적 숨은 변수 이론이 성립한다면 특정 부등식이 만족되어야 함을 증명했다. 이후 수많은 정밀 실험[8] 결과, 이 부등식이 위반되는 것이 확인되었다. 이는 양자 역학의 예측이 옳으며, 국소성 원리가 양자 세계에서는 성립하지 않음을 강력히 시사한다.

현재의 해석은 이 순간적 상관관계가 실제로 초광속 정보 전달을 허용하지는 않는다는 점에 있다. 측정 결과 자체는 무작위적이며, 얽힘된 상대방의 결과를 알기 위해서는 고전적 통신이 여전히 필요하다. 따라서 상대성 이론과의 직접적인 모순은 피할 수 있다. 그러나 공간적으로 분리된 시스템이 독립적이지 않을 수 있다는 사실 자체는 우리의 직관적인 국소적 실재론에 대한 근본적인 재고를 요구한다.

광자는 양자 얽힘 상태를 생성하고 조작하는 데 가장 널리 사용되는 물리적 시스템 중 하나이다. 그 이유는 광자가 상대적으로 환경과의 상호작용이 약해 디코히어런스에 강하며, 기존 광학 기술을 활용해 정밀하게 제어할 수 있기 때문이다. 가장 일반적인 방법은 비선형 광학 결정을 이용한 자발적 파라매트릭 하향 변환 과정이다. 이 과정에서 하나의 고에너지 펌프 광자가 결정 내에서 두 개의 저에너지 광자(신호 광자와 멍에 광자)로 나뉘며, 이 두 광자는 에너지, 운동량, 편광 상태가 얽힌 상태로 생성된다.

얽힘의 구체적인 자유도는 실험 설계에 따라 달라진다. 편광 얽힘은 가장 일반적으로 사용되며, 생성된 광자 쌍이 예를 들어 수평 편광과 수직 편광의 중첩 상태를 공유하게 된다. 이는 다음과 같은 벨 상태 중 하나로 표현된다.

편광 외에도 광자의 다른 속성도 얽힘의 매개체로 활용된다. 시간-에너지 얽힘은 생성된 광자 쌍이 정확히 동시에 발생하는 특성을 이용하며, 궤도 각운동량 얽힘은 광자의 휘어짐 정도(위상 구조)를 이용한다. 또한, 단일 광자원에서 방출된 광자를 빔 분할기와 같은 선형 광학 소자에 통과시켜 경로(공간 모드)를 얽히게 하는 방법도 있다.

이러한 광자 기반 얽힘 생성 기술은 실험실 환경에서 높은 품질의 얽힘 상태를 안정적으로 제공한다. 이는 벨 부등식 검증, 양자 암호 통신, 양자 텔레포테이션 등 양자 정보 과학의 기초 실험과 응용 연구의 핵심 자원이 된다. 최근 연구는 단일 광자원의 효율성을 높이고, 다중 광자 간의 얽힘(다체계 얽힘)을 생성하는 방향으로 발전하고 있다.

초전도 회로를 기반으로 한 큐비트는 고체 상태 시스템을 이용해 양자 얽힘을 생성하고 제어하는 대표적인 플랫폼 중 하나이다. 이 방법은 초전도 재료로 만들어진 마이크로파 공진기와 조셉슨 접합을 결합하여 인공 원자(인공 에너지 준위)를 구현한다. 초전도 큐비트의 에너지 준위는 외부에서 인가하는 마이크로파 펄스로 정밀하게 조작할 수 있으며, 이를 통해 두 개 이상의 큐비트를 얽힘 상태로 만드는 게이트 연산을 수행한다. 일반적으로 사용되는 얽힘 생성 게이트로는 CZ 게이트나 iSWAP 게이트 등이 있다.

초전도 큐비트 시스템에서 얽힘을 생성하는 일반적인 절차는 다음과 같다. 먼저, 각 큐비트를 바닥 상태로 초기화한다. 이후, 단일 큐비트 게이트를 적용해 특정 중첩 상태를 만들고, 두 큐비트 간의 조정 가능한 결합(coupling)을 활성화시킨다. 이 결합은 보통 가변 커패시터나 공유 공진기를 통해 제어되며, 특정 시간 동안 상호작용을 허용함으로써 얽힘 상태를 유도한다. 생성된 얽힘 상태의 충실도(fidelity)는 큐비트의 결맞음 시간과 게이트 연산의 정밀도에 크게 의존한다.

이 접근법의 주요 장점은 고체 칩 기반의 확장 가능성과 전기적 제어의 편의성이다. 여러 초전도 큐비트를 단일 칩에 집적하고 마이크로파 라인을 통해 연결하여 대규모 얽힘 상태를 구축하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 초전도 큐비트는 주변 환경의 열적 소음과 전자기 간섭에 매우 민감하여 디코히어런스가 빠르게 발생한다는 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 큐비트는 극저온(mK 단위) 냉각 환경에서 동작하며, 회로 설계와 필터링 기술을 지속적으로 개선하고 있다.

초전도 큐비트를 이용한 얽힘 생성 기술은 양자 컴퓨팅과 양자 정보 처리 분야의 실용화를 위한 핵심 요소로 여겨진다. 구글, IBM, 리게티 컴퓨팅 등의 기업과 연구기관이 이 기술을 기반으로 중규모 규모의 양자 프로세서를 개발하고 있으며, 얽힘된 큐비트의 수와 상태 충실도를 지속적으로 향상시키고 있다.

양자 암호 통신(QKD)은 양자 얽힘 현상을 보안 통신의 핵심 자원으로 활용하는 기술이다. 이는 두 당사자(앨리스와 밥) 사이에 안전한 암호 키를 분배하는 프로토콜로, 기존의 수학적 복잡성에 기반한 암호학과 달리 양역학의 물리적 법칙을 보안의 근간으로 삼는다. 가장 유명한 프로토콜인 BB84 프로토콜은 광자의 양자 중첩 상태를 이용하지만, E91 프로토콜과 같은 다른 프로토콜들은 얽힌 광자 쌍을 직접적으로 활용한다.

QKD의 보안성은 정보를 훔치는 행위(도청) 자체가 양자 상태를 교란시킨다는 측정의 비가역성 원리에 기초한다. 얽힘을 이용하는 방식에서는 앨리스와 밥이 각각 얽힌 쌍의 입자 하나씩을 받아 특정 기저로 측정한다. 그들의 측정 결과는 완벽한 상관관계 또는 반상관관계를 보이며, 이 상관관계를 공개 채널에서 비교함으로써 도청 시도가 있었는지를 통계적으로 탐지할 수 있다. 도청이 탐지되면 해당 키를 버리고 다시 시도한다.

이 기술의 실용화를 위한 주요 과제는 광자 손실, 검출기 효율, 그리고 장거리 전송 시 발생하는 디코히어런스를 극복하는 것이다. 이를 위해 양자 중계기와 위성 기반 QKD 실험이 활발히 연구되고 있다. 다음 표는 얽힘 기반 QKD의 핵심 요소를 정리한 것이다.

QKD는 이미 상용화 제품이 출시되어 금융이나 정부 기관의 특수 통신망에 적용되고 있으나, 아직은 비용과 거리 제한으로 보편화되지는 못했다. 이 기술은 양자 컴퓨터의 발전으로 기존 공개키 암호체계가 위협받는 미래에 대비한, 물리적 법칙에 기반한 안전한 통신 인프라를 제공할 잠재력을 지닌다.

양자 컴퓨팅에서 양자 얽힘은 양자 병렬성을 실현하고 고전 컴퓨터가 따라올 수 없는 계산 속도를 가능케 하는 핵심 자원이다. 얽힘 상태에 있는 큐비트들은 독립적으로 다루어질 수 없으며, 이 집단적 특성을 이용해 복잡한 계산을 동시에 수행한다. 대표적인 예로, 쇼어 알고리즘은 얽힘을 활용하여 큰 수의 소인수분해를 고전 알고리즘보다 기하급수적으로 빠르게 해결한다[10]. 또한 그로버 알고리즘은 정렬되지 않은 데이터베이스 검색 속도를 가속화하는 데 얽힘이 기여한다.

얽힘은 양자 컴퓨터의 연산을 구성하는 양자 회로에서 기본적인 역할을 한다. 양자 게이트 연산 중 다수의 큐비트를 얽히게 만드는 게이트(예: 제어-NOT 게이트)는 필수적이다. 이를 통해 큐비트들 사이에 논리적 연결을 형성하고, 복잡한 양자 상태를 조작한다. 얽힘의 정도는 종종 양자 컴퓨터의 성능과 연산 능력을 평가하는 지표로 사용되기도 한다.

그러나 실용적인 양자 컴퓨터를 구축하는 데는 얽힘 상태를 대규모로 생성하고 유지하는 것이 주요 과제이다. 큐비트 수가 증가함에 따라 얽힘 상태는 디코히어런스와 환경 소음에 매우 취약해지기 때문이다. 따라서 오류를 정정하는 양자 오류 정정 코드는 필수적으로 얽힘을 광범위하게 사용하여 정보를 여러 큐비트에 분산시킨다. 이는 얽힘이 계산 자원일 뿐만 아니라 시스템의 견고성을 보장하는 수단이기도 함을 보여준다.

양자 텔레포테이션은 양자 얽힘 상태를 활용하여 한 입자의 양자 상태 정보를 공간적으로 떨어진 다른 입자에게 전송하는 프로토콜이다. 이 과정에서 원래 입자의 양자 상태는 파괴되며, 그 정보는 고전적 통신 채널을 통해 전송된 보조 정보와 결합되어 수신 측의 입자에 재구성된다. 중요한 점은 물질이나 에너지가 이동하는 것이 아니라, 순수한 양자 정보(큐비트의 상태)가 전송된다는 것이다. 따라서 이 용어는 공상과학에서의 개념과는 근본적으로 다르다.

텔레포테이션 프로토콜의 핵심 단계는 다음과 같다. 먼저, 송신자(앨리스)와 수신자(밥)가 한 쌍의 얽힌 입자를 공유한다. 앨리스는 전송하고자 하는 미지의 양자 상태를 가진 입자와 자신이 가진 얽힌 입자 쌍 중 하나에 대해 벨 상태 측정이라는 공동 측정을 수행한다. 이 측정 결과는 두 입자의 상태를 얽힘 상태 네 가지 중 하나로 붕괴시킨다. 앨리스는 이 2비트의 고전적 측정 결과를 밥에게 알린다. 밥은 이 고전적 정보를 받아, 자신이 가진 얽힘 입자 쌍의 나머지 부분에 해당하는 단일 큐비트 연산(예: 파울리 행렬 연산)을 적용한다. 이 연산을 통해 밥의 입자는 앨리스가 원래 전송하려 했던 미지의 양자 상태를 정확히 재현하게 된다.

양자 텔레포테이션은 양자 암호 통신과 양자 컴퓨팅 네트워크에서 필수적인 요소로 여겨진다. 특히 분산형 양자 컴퓨팅이나 양자 중계기를 통한 장거리 통신에서, 얽힘 연결을 확장하거나 양자 정보를 처리하는 노드 간에 정보를 전달하는 핵심 메커니즘으로 사용될 수 있다. 실험적으로는 광자, 이온, 초전도 큐비트 등 다양한 물리적 시스템을 이용하여 수십 킬로미터 이상의 거리에서 성공적으로 구현되었다[11].

양자 중력은 일반 상대성 이론과 양자역학을 통합하려는 이론 물리학의 주요 미해결 과제 중 하나이다. 양자 얽힘은 이러한 통합의 가능한 실마리를 제공하며, 특히 블랙홀 정보 역설과 시공간의 본질을 이해하는 데 중요한 역할을 한다.

블랙홀 정보 역설은 블랙홀이 증발할 때 양자 정보가 파괴되는지 여부에 관한 문제이다. 스티븐 호킹의 계산에 따르면 블랙홀은 호킹 복사를 방출하며 완전히 증발하지만, 이 복사는 순수한 열복사로 정보를 포함하지 않는 것으로 보였다. 이는 양자역학의 정보 보존 법칙과 모순된다. 이 역설을 해결하는 한 가지 접근법은 블랙홀의 사건의 지평선 근처에서 발생하는 강한 양자 얽힘을 고려하는 것이다. ER=EPR 추측은 아인슈타인-로젠 다리(ER, 즉 웜홀)와 양자 얽힘(EPR)이 동등한 현상일 수 있다고 제안한다. 이 관점에서 보면, 얽힘된 입자들은 미시적인 웜홀로 연결되어 있어 정보가 사라지지 않고 전달될 수 있다는 가능성을 시사한다.

또한, 양자 중력 이론의 후보 중 하나인 홀로그래피 원리는 어떤 공간 영역의 정보가 그 경계면에 암호화되어 있다고 주장한다. 이때 경계면에 있는 정보 사이의 양자 얽힘은 내부 공간의 기하학적 연결성을 결정하는 데 기여한다. 즉, 시공간 자체가 근본적인 양자 얽힘 네트워크에서 나타나는 현상일 수 있다는 아이디어로 이어진다. 이는 양자 얽힘이 중력과 시공간의 거시적 구조를 구성하는 미시적 접착제 역할을 할 수 있음을 의미한다.

양자 얽힘은 양자 다체계 물리학의 핵심 현상으로, 두 개 이상의 입자나 준입자 사이에 존재하는 강한 양자적 상관관계를 의미한다. 이 현상은 다체계의 집단적 행동과 거시적 양자 현상을 이해하는 데 필수적인 역할을 한다. 특히 초유체나 초전도체와 같은 응집 물질의 물리적 성질은 근본적으로 다체계의 얽힘 상태에 의해 설명된다.

다체계에서 얽힘은 시스템의 파동 함수가 개별 구성 요소의 상태로 분리되어 기술될 수 없음을 의미한다. 이러한 얽힘은 스핀 액체, 양자 홀 효과, 고온 초전도 현상 등 복잡한 양자 상을 설명하는 이론적 틀의 기초를 이룬다. 예를 들어, 많은 몸 문제를 다루는 밀도 범함수 이론이나 양자 몬테 카를로 방법 같은 계산 기법들은 다체계의 얽힘 구조를 근사적으로나마 포착하려는 시도이다.

최근 연구는 양자 정보 이론에서 발전된 얽힘 측정 방법들을 다체계 물리학에 적용하여 새로운 통찰을 제공하고 있다. 얽힘 엔트로피는 시스템의 부분 사이의 얽힘 정도를 정량화하며, 이는 위상 질서를 가진 물질의 경계에서 특정한 법칙을 따른다[13]. 또한, 부모 수와 같은 개념은 다체계 상태가 얼마나 복잡한 얽힘 구조를 가지는지를 나타내는 지표로 사용된다. 이러한 도구들은 복잡한 양자 물질의 본질을 이해하고, 새로운 양자 물질을 설계하는 데 기여한다.

얽힘 상태를 생성하고 유지하는 데 있어 거리와 시간은 핵심적인 실험적 제약 조건이다. 초기 실험은 주로 실험실 내의 짧은 거리에서 이루어졌으나, 기술의 발전으로 점점 더 먼 거리에서의 얽힘 유지가 가능해졌다. 예를 들어, 위성과 지상 기지국 간의 양자 통신 실험에서는 수백 킬로미터 이상의 거리에서도 광자 쌍의 얽힘을 확인했다[15]. 그러나 거리가 증가함에 따라 신호 감쇠, 대기 간섭, 그리고 디코히어런스의 영향이 커져 얽힘 상태의 품질을 유지하기가 더욱 어려워진다.

얽힘의 지속 시간은 시스템이 주변 환경과 얼마나 잘 격리되어 있느냐에 크게 의존한다. 실험실에서는 극저온, 진공, 그리고 정밀한 제어를 통해 큐비트의 결맞음 상태를 보호한다. 다양한 물리적 시스템에 따라 지속 시간은 현저히 다르다. 다음 표는 주요 시스템별 얽힘 유지 특성을 비교한 것이다.

이러한 한계를 극복하기 위해 양역 오류 정정 코드와 같은 이론적 방법이 연구되고 있으며, 이를 통해 얽힘의 유효 수명을 연장하려는 시도가 이루어지고 있다. 또한, 양자 중계기 네트워크는 먼 거리 통신을 위해 얽힘을 단계적으로 생성하고 전달하는 방식으로, 단일 링크의 거리 한계를 극복하는 핵심 기술로 여겨진다.

디코히어런스는 양자 시스템이 주변 환경과 상호작용함으로써 고유한 양자 중첩 상태를 잃고 고전적인 확률 분포처럼 행동하게 되는 과정을 설명한다. 이 현상은 양자 얽힘 상태를 실험적으로 구현하고 활용하는 데 가장 큰 실질적 장애물 중 하나이다. 얽힘 상태에 있는 입자들은 환경과의 불가피한 상호작용을 통해 얽힘을 빠르게 상실할 수 있으며, 이를 얽힘 소멸이라고 부른다.

디코히어런스가 발생하는 주요 경로는 얽힘 상태의 정보가 관측 대상이 아닌 주변 환경의 자유도로 '새어 나가는' 현상이다. 예를 들어, 광자나 전자와 같은 입자가 공기 분자, 열적 광자, 또는 외부 전자기장과 상호작용하면, 원래의 순수한 양자 상태는 환경의 수많은 자유도와 얽히게 된다. 이로 인해 실험자가 관측 가능한 시스템만을 고려했을 때는 양자 간의 상관관계가 희미해져 고전적인 통계로 보인다. 디코히어런스 시간은 시스템의 크기, 에너지, 환경과의 결합 강도에 크게 의존하며, 일반적으로 시스템이 크고 복잡할수록, 주변이 더 따뜻할수록 그 시간은 짧아진다.

이러한 도전을 극복하기 위해 여러 실험 기법이 개발되었다. 주요 접근법은 시스템을 환경으로부터 최대한 격리시키는 것이다. 이는 극저온 냉각, 고진공 상태 유지, 그리고 광학 트랩이나 이온 트랩과 같은 기술을 통해 달성한다. 또한, 양자 오류 정정 코드는 디코히어런스로 인한 정보 손실을 사전에 보상하고 수정하기 위한 이론적 프레임워크를 제공한다. 이러한 노력에도 불구하고, 대규모로 얽힘을 유지하고 제어하는 것은 양자 컴퓨팅과 양자 암호 통신이 실용화되기 위해 반드시 넘어야 할 과제로 남아 있다.