과거에 과학자들은 오직 미시 세계에서만 양자 얽힘 현상, 즉 두 입자가 떨어진 공간 사이의 마법 같은“동시 진행”상태를 관찰했습니다. 그런데 최근 물리학자들은 이런 현상을 거시적 규모로 관찰하여 양자 과학의 고전적인 불확실성 원리(uncertainty principle)를 깨뜨렸다는 사실을 발견했습니다.
이 연구는 양쪽에 약 10미크론 만 있는 작은 알루미늄 드럼을 사용하고, 마이크로파 광자를 사용하여 고막을 진동시켜 위치와 속도를 동기화 상태로 만듭니다.
이러한 크기는 사람의 머리카락 크기의 5 분의 1에 불과합니다. 사람의 눈으로 볼 수 있는 세계에서는 아직 매우 작지만 양자 물리로 통제되는 미시 세계에서는 이미 거대한 물체입니다.
거시적 규모의 양자 얽힘도 미시 세계의 규칙을 따릅니다.
양자 얽힘 상태의 입자는 고전적인 물리 이론으로는 설명 할 수 없는 몇 가지 특성을 나타내며 많은 영역에서 중요한 용도로 사용됩니다.
과학자들은 이전에는 거시적 세계에서 발생한다면 이렇게 드러나는 현상의 물리적 특성과 미시적 세계와는 다를 수 있다고 믿었습니다. 그런데 이 연구는 그렇지 않다는 것을 발견했습니다. 사실 이 연구에서 볼 수 있는 대규모 양자 얽힘 현상도 미시 세계와 동일하게 양자 법칙을 따릅니다.
이전 연구에서도 거시적 양자 얽힘 현상에 대한 보고가 있었습니다. 이 새로운 연구는 다음과 같은 큰 진전을 이루었습니다. 처음으로 양자 얽힘의 물체에 대해서 측정을 했지만 예측한 값을 특정하지는 못 했습니다. 그리고 물체의 얽힌 상태는 확실히 생성되고 임의의 확률은 없습니다.
양자 상태는 외부 요인에 의해 쉽게 교란되기 때문에 스네어 드럼이 교란되는 것을 방지하기 위해 연구원들은 섭씨 영하 273 도의 저온으로 냉각했습니다. 두 개의 스네어 드럼의 상태가 코딩되어 레이더와 같은 반사된 마이크로파 장에 기록되어 각각 별도로 측정할 수 있습니다.
불확실성 원리를 깨뜨리다
이 연구에서 같은 분야 사람들의 가장 관심을 받는 부분은 독일 물리학자 Werner Heisenberg가 제안한 불확실성 원리를 우회한다는 것입니다. Heisenberg는 양자 역학에서 입자의 위치와 운동량을 동시에 측정할 수 없거나 한 쪽의 측정이 다른 쪽을 방해할 것이라고 생각했습니다. 이를 “양자 역작용（quantum back action）”이라고도 부릅니다.
이 연구는 양자 반응을 피하고 두 스네어 드럼의 위치와 운동 에너지를 동시에 측정할 수 있습니다. 주요 연구원 중 한 명인 핀란드 Aalto 대학의 물리학자인 Laure Mercier de Lepinay는 다음과 같이 말했습니다.
우리의 연구에서 두 개의 스네어 드럼은 협력적인 양자 운동 상태를 나타냅니다. 그것들은 반대 위상으로 진동합니다. 예를 들어, 그 중 하나가 진동 마감 주기에 위치하면 동시에 또 다른 하나는 시작 위치에 놓이게 됩니다.
이러한 상황에서 만약 두 개의 스네어 드럼을 양자 기계의 실체로 간주하면 스네어 드럼 운동 중의 양자 불확실성이 상쇄됩니다.
연구에 따르면 이 실험은 고전 물리학(불확실성 원리에 의해 제어되지 않음)과 양자 물리학(불확실성 원리에 의해 제어 됨)사이의 경계에 대한 근본적인 통찰력입니다.
연구진은 이 결과가 앞으로 거시적 규모에서 두 물체가 얽히고 제어하는 데 토대를 마련하기를 희망합니다. 거시적 얽힘은 양자 네트워크에서 중요한 용도로 사용되며 차세대 통신 네트워크의 개발을 촉진할 것입니다.
출처 : 왕이-과기섬할안
