간섭계로 '시공간 양자 상태' 측정 방법 제시
[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 '시공간을 가로지르는 양자 상태'를 쉽게 측정할 수 있는 방법을 제시했다. 공간과 시간에 흩어진 양자정보를 하나의 상태로 다루고 실험적으로 검증할 길이 열렸다는 평가다.
울산과학기술원(UNIST) 물리학과 이석형 교수와 고등과학원 계산과학부 권혁준 교수팀은 시공간 여러 지점에 존재하는 양자 정보를 간섭계로 측정해 하나의 '시공간 양자상태'로 재구성하는 이론을 정립했다고 20일 밝혔다.
양자이론은 같은 시간에 서로 떨어진 입자들의 관계는 '양자 상태'로, 한 양자계가 시간에 따라 변하는 과정은 '양자 채널'이라는 별도의 수학적 대상으로 표현해 왔다. 시간과 공간을 하나의 통합된 시공간으로 보는 상대성이론과의 통합이 어려운 이유이기도 하다.
이번 연구에서 연구진은 간섭계에서 얻은 신호로 시공간 양자상태를 재구성할 수 있음을 증명했다. 먼저 사건의 인과 순서를 미리 알지 못해도 작동하는 측정 방법의 조건(causally agnostic measurement)을 정의한 뒤, 이 조건을 만족하는 것과 간섭계로 측정할 수 있는 것이 필요충분조건, 즉 서로 정확히 일치함을 수학적으로 증명했다. 간섭계는 양자가 여러 경로를 동시에 지나는 성질을 이용해 두 경로의 차이를 신호로 읽는 장치로 다양한 양자 실험에서 이미 널리 쓰이고 있는 표준 측정 기술이다.
간섭계 신호만으로 양자과정을 측정하면 미시세계에서는 서로 다른 양자과정이 동일 신호로 나타날 수 있는데, 이는 '나침반' 역할을 하는 보조 양자를 추가해 해결할 수 있음도 증명했다. 연구진은 보조 양자를 '시계'로 활용하는 이론적 모델을 만들어, 겉보기엔 구별이 불가능했던 양자과정의 시간 방향성도 정확하게 찾아낼 수 있음을 수학적으로 입증해 냈다.
이석형 교수는 "시간과 공간을 함께 아우르는 양자 상태를 어떻게 정의하고, 어떻게 측정할 수 있는지는 양자정보과학과 양자 기초론의 중요한 난제로 남아 있었다"며 "이번 연구는 양자 상태를 '측정 결과로부터 어떻게 알 수 있는가'라는 실험적 질문에 답했다는 점에서 의미 있는 성과"라고 설명했다.
이 교수는 이어 "이 이론은 광학·응집물질·초전도 등 다양한 분야의 양자정보처리 과정을 효율적으로 표현하고 분석하는 데 활용할 수 있으며, 양자 레이더나 입자 충돌 실험처럼 사건의 시점과 위치를 미리 알기 어려운 상황에도 적용할 수 있을 것"이라고 덧붙였다.
이번 연구는 물리학 분야 권위지인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 지난 6월 24일 출판됐다.
[email protected] 연지안 기자
