양자얽힘의 순간을 세계 최초로 이미지에 기록하는데 영국의 연구팀이 성공

PHOTOGRAPH BY SCHOOL OF PHYSICS AND ASTRONOMY, UNIVERSITY OF GLASGOW

· 두 입자가 강한 상호관계에 있는 '양자얽힘'이라는 현상을 영국의 연구팀이 세계 최초로 이미지에 기록하는 데 성공했다.
· 이번 실험에서 얻은 화상처리 기술은 양자컴퓨팅과 양자암호의 발전에도 기여할 것으로 기대되고 있다.

미시양자의 세계를 역학으로 제대로 설명하기 위해서는 없어서는 안 될 '양자얽힘'이라는 현상이 있다. 양자얽힘이란 2개의 입자가 강한 상호관계에 있는 상태로 입자의 스핀, 운동량 등의 상태를 마치 동전의 앞뒤와 같이 공유하는 운명공동체와 같은 상태를 가리킨다.

예를 들어 한 입자를 관찰할 때 스핀이 위쪽이면 다른 하나는 순간적으로 아래쪽으로 향한다. 이러한 양자얽힘에 있는 두 입자 사이의 상태는 어느 규모의 거리라도 유지된다고 한다. 이 동기의 속도가 빛의 속도를 넘고 마치 공간 등이 존재하지 않는 것 같은 비국소성에 위대한 물리학자 알베르트 아인슈타인이 한때 "소름끼치는 원격작용"이라고 불렀을 정도다.

양자얽힘의 이미징에 성공

그런 양자얽힘 상태를 이미지에 담는데 최근 영국의 글래스고대학 연구팀이 성공했다. 양자얽힘 상태에 있는 광자의 모습을 포착해 오픈액세스의 과학 학술지 'Science Advances'에서 이미지를 공개했다. 이것은 양자얽힘의 판단 기준이 되는 '벨의 부등식'의 붕괴를 바탕으로 양자얽힘을 실험적으로 가시화하는 기술로, 얽힘상태에 있는 입자 쌍이 하나의 화상에 담은 것은 이번이 처음이라고 한다.

매크로 세계의 물질상태는 관측자가 있는지 여부와 관계없이 결정된다. 대조적으로 미크로의 세계에서는 양자가 실제로 어떤 상태에 있는지는 무언가에 '관측'될 때까지 불확정이라고 생각되고 있다. 지금까지 양자얽힘 현상은 실험적으로 입증되었지만 '관측될 때까지 상태가 결정되지 않는 양자얽힘'을 어떻게 이미지에 담는 실험적 셋업을 고안하는 것은 어려운 일이었다.

이번 실험에서는 양자얽힘 상태를 확인하기 위해 '벨의 부등식'이라 불리는 식이 사용되었다. 벨의 부등식은 고전적으로 설명할 수 있는 입자의 상관관계의 상한을 나타낸 수식으로, 이것으로 실험이 양자적인 것인지 고전적으로 설명할 수 있는 것인지를 구별할 수 있다. 벨의 부등식의 상한이 깨지면 실제로 두 입자가 양자얽힘 상태에 있음을 나타낸다.

연구팀은 자발적 파라메트릭 하향변환(SPDC)이라 불리는 수법을 이용해 양자얽힘 상태를 만들었다. IMAGE BY SCHOOL OF PHYSICS AND ASTRONOMY, UNIVERSITY OF GLASGOW

연구팀은 자발적 파라메트릭 하향변환(SPDC)이라 불리는 수법으로 우선 광자를 얽히게 했다. 그런 다음 빔스플리터로 광자쌍을 두 개로 나눴다. 광자1의 통로에는 통과시에 랜덤하게 위상이 정해지는 필터(0°,45°,90°,135°)를 설치했고 광자2는 필터를 통과하지 않고 곧게 진행된다. 연구팀은 광자 1과 얽힌 광자 2를 같은 타이밍에 포착했을 때에만 검출할 수 있는 초고감도 카메라를 설치하여 이러한 가시기록을 작성했다.

4가지의 다른 위상에서 보이는 양자의 얽힌 이미지는 4만 프레임을 조합한 것이다. 광자쌍은 필터를 통과하기 전에 분할되었음에도 불구하고 둘 다 필터의 위상과 동일한 상전이를 하는 것을 관측할 수 있다.

즉 광자1이 위상필터를 통과한 순간 쌍이 되는 광자2의 상태가 결정되었다. 연구팀은 이러한 위상데이터를 벨의 부등식으로 테스트했는데 2개의 광자가 '양자얽힘' 상태에 있었다는 것을 보고했다.

IMAGE BY SCHOOL OF PHYSICS AND ASTRONOMY, UNIVERSITY OF GLASGOW

양자컴퓨팅에도 적용 가능

“우리가 포착한 이미지는 자연의 기본적 성질을 우아하게 표현한 것으로 그것을 최초로 이미지로 볼 수 있었던 것”이라고 박사는 말한다. "이것은 양자컴퓨팅의 새로운 분야를 발전시키고 새로운 유형의 이미지 처리에 도움이 되는 훌륭한 성과"라고 평가했다.

이 양자 이미징 기술은 빛의 양자적 상태의 모든 가능성에 접근할 수 있음을 입증한 것이다. 벨의 부등식은 양자컴퓨팅이나 암호화 분야에서 이미 응용되고 있는 컨셉이다. 그러므로 이번 실험에서 새롭게 얻은 화상처리 기술은 양자를 이용한 시스템의 성능을 추측하는데 효과적인 수단이 될 것이라고 연구팀은 전망하고 있다.

출처 참고
- Imaging Bell-type nonlocal behavior
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aaw2563

Imaging Bell-type nonlocal behavior