양자 실현의 복잡성

당신이 다양한 색상의 몇몇 유리 화병을 주문했다고 가정해보자. 각 화병은 별도의 소포로 당신에게 발송될 것이다. 그리고 그것들이 도착했을 때, 배달부는 거의 모든 소포는 안전하다고 말하지만, 막상 그것들을 열어 보았을 때, 당신은 빨간 화병들은 모두 온전하고, 녹색 화병들은 모두 산산조각이 나 있다는 것을 발견할 것이다. 바르샤바 대학(University of Warsaw)과 그단스크 공과 대학(Gdansk University)의 연구진은 양자 정보가 전송될 때, 그 본성은 마치 괴팍스러운 배달부처럼 변덕스럽다는 것을 보여주었다. 바르샤바 대학(FUW) 물리학부와 그단스크 대학(PG) 응용 물리학 및 수학과의 연구진이 시행한 개별 광자 실험에서, 그들은 알려지지 않은 일부 양자 세계의 반직관적인 특성을 발견하지 못했다. 그러나 연구진은 양자 개체가 전송될 때, 그것의 양자 속성(그것이 파로서 행동하든, 아니면 입자로서 행동하든지 간에)이 언뜻 보기에는 전송과 아무 관계가 없어 보이는 다른 속성에 영향을 받는다는 것을 밝혀냈다. 이러한 놀라운 결과는 Nature Communications에 발표되었다.

 파간섭(Wave-interference) 실험은 거의 모든 사람이 수행할 수 있을 정도로 간단하고도 가장 명쾌한 실험이다. 레이저 빔이 이중 슬릿을 가진 판을 향해 있을 때, 우리는 빛의 시퀀시와 암흑 무늬를 관찰했다. 이러한 암흑 무늬가 단지 개별 입자(단일 전자, 또는 광자) 슬릿을 통과하기만 하여도 보인다는 것은 잘 알려진 사실이다. 물리학자들은 모든 개별 입자가 이 두 슬릿을 한 번에 통과하고, 그 자체를 방해할 때, 파 속성을 드러낸다고 가정했다. 이 상황은 주어진 광자나 전자가 취하는 경로를 감지하는 것이 가능할 때나, 입자가 어떤 슬릿을 통과하는지를 적어도 원칙적으로 결정할 때마다 매우 다르다. 입자 경로에 관한 정보가 시스템에서 관찰자에게로 누출되면, 이 간섭은 사라지고, 간섭무늬 대신에, 아무런 패턴도 관찰되지 않는다.

광자가 간섭을 보이게 하려면, 그들의 파장이 같아야 함과 동시에, 전자 또한 같은 에너지를 가져야 한다. 그러나 양자 입자는 얼마간의 다른 속성을 가지고 있다. 예를 들어, 그들은 편광(그것들의 전기장은 특정 평면으로 진동한다.)되거나, 또는 다른 스핀 방향(고정된 개체의 역학을 설명하는 양자 속성)을 가진다. “지금까지는 스핀이나 편광과 같은 추가적 속성이 간섭에 중대한 영향을 끼치지 않는다고 가정했다. 우리는 이 주제를 좀 더 깊이 연구하기로 했고, 이에 따라 얻어진 결과는 매우 놀라웠다”고 Konard Banaszek 교수가 말했다.

바르샤바 대학과 그단스크 공과 대학의 연구진이 시행한 이 실험은 전조 광자를 생성하는 것으로 시작한다. “좀 복잡하게 들릴지 모르지만, 이 아이디어는 그 자체로 매우 단순하다. 우리는 광자들이 쌍으로 생성하는 과정을 이용하여, 광자를 생성했다. 우리가 한 광자를 등록할 때, 그 두 번째 광자가 생성된다는 것은 확실하며, 방향이나 파장과 같은 그것의 속성을 어떠한 손상 없이도 우리는 알 수 있었다. 즉, 우리는 두 번째 광자의 생성을 예고하는 첫 번째 광자를 이용하는 것”이라고 Czeslaw Radzewicz (FUW) 교수가 말했다.

각 전조 광자는 개별적으로 두 개의 방해석 결정으로 구성된 간섭계로 향한다. 첫 번째 결정에서, 광자는 분리되고, 동시에 간섭계의 양쪽으로 보내진다. 연구진은 소음을 적용하여, 각 쪽에 있는 광자(전기장의 진동 면)의 편광을 변경한다. 두 번째 방해석 결정에서, 경로는 간섭무늬의 독특한 배경을 만들어내기 위하여 결합하며, 시스템이 주어진 광자를 따라 이동하는 쪽에 어떠한 정보도 누설하지 못하도록 한다. 이 실험의 마지막 단계는 실리콘 에벌란시 포토다이오드를 이용하여, 이 간섭무늬를 측정하는 것이 포함되어 있다. “우리는 간섭계를 통해서 광자가 전송되는 동안, 얼마나 많은 정보가 유출되는지를 알기 위하여, 간섭무늬 측정을 사용한다. 즉, 우리는 전송 도중 도청이 이루어지는지, 아닌지를 확인할 수 있다”고 Michal Karpinsk 교수가 말했다. 그는 이 실험 시스템을 구축하고, 측정을 수행하는 책임을 지고 있다.

이 결과는 새롭고도 놀라운 현실의 속성을 드러냈다. 즉, 광자의 편광이나 다른 내부 자유도는 두 경로 간의 간섭에 매우 중대한 역할을 한다는 것이다. “이는 운반원의 능력에 대해 생각해보게 한다. 예를 들어, 안정하게 포장된 소포 내부에 있는 유리 화병이 안전한지에 대한 여부는 그 화병이 녹색이냐, 아니면 빨간색이냐에 달려있다. 우리의 세계에서, 색은 그 화병의 안전 여부와 전혀 상관이 없다. 그러나 우리의 ‘양자 운반자’인 소포의 상태는 간섭과는 아무 상관도 없어 보이는 내부 속성에 달려있다”고 Pawel Horodecki 교수가 말했다. 이 결과는 물리학자들로 하여금, 아주 새로운 현실적인 실제 속성을 좀 더 포괄적인 방식으로 관찰할 수 있도록 해줄 뿐만 아니라, 양자 암호의 실용적인 응용도 제공한다. 바르샤바 대학의 그단스크 공과 대학의 과학자들은 측정 시스템으로부터 유출되는 정보의 양을 정확하게 예측할 가능성을 제시했다.

http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=241979&cont_cd=GT

http://phys.org/news/2013-10-quantum-reality-complex-previously-thought.html

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