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- 베르너 하이젠베르크가 1927년에 도입한 불확정성 원리
- 양자 입자의 정확한 위치와 운동량은 동시에 알 수 없으며, 둘 중 하나만 알 수 있다.
- 전반적인 정보 포기하고 전례 없는 민감도로 미세한 변화를 감지할 수 있는 능력을 얻어
- 양자 센서 제작해 이를 입증, 양자 상태에서 이온의 위치와 운동량을 초고정밀도로 측정
- 극도의 감도를 가진 양자 기반 센서는 완전히 새로운 산업을 가능

하이젠베르크의 불확정성 원리를 극복하다.
양자 실험, 하이젠베르크의 불확정성 원리를 우회하다

하지만 양립 가능:
물리학자들은 유명한 하이젠베르크의 불확정성 원리의 한계를 우회하는 실험적 방법을 찾아냈다. 그들은 양자 입자의 불확정성 범위를 변화시켜 위치와 운동량의 미묘한 변화를 동시에 측정할 수 있게 했다. 이 새로운 측정 기술은 향후 초정밀 양자 센서에 사용될 수 있다. 

▲ 양자 입자의 위치와 운동량은 실제로 동시에 정확하게 결정될 수 없다. © Yuriy Artemenko/iStock

베르너 하이젠베르크가 1927년에 도입한 불확정성 원리는 물리학에서 특정 속성 쌍을 동시에, 적어도 높은 정밀도로는 알 수 없다고 말한다. 한 속성을 더 정밀하게 명시하거나 실험적으로 결정하려고 할수록 두 번째 매개변수의 상태는 더 불확실해진다. 이는 측정 자체가 결과에 영향을 미치기 때문이다.

예를 들어, 양자 입자의 정확한 위치와 운동량은 동시에 알 수 없으며, 항상 둘 중 하나만 알 수 있다. 이를 보완하는 초기 방법들이 있지만, 지금까지는 제한적인 성공만을 거두었다. 따라서 물리학자들은 실험에서 여전히 타협을 해야 하고, 더 큰 불확실성에도 불구하고 어떤 특성을 받아들일지 결정해야 한다.

실험은 불확실성을 변화시킨다.

하지만 시드니 대학교의 크리스토프 발라후(Christophe Valahu)가 이끄는 연구팀은 이를 우회하는 새로운 방법을 발견했다. 이전에 제안된 이론을 기반으로 연구진은 양자 입자의 위치와 운동량을 동시에 정밀하게 측정하는 실제 실험을 개발했다.

그들은 불가피한 불확실성을 무시하지 않고, 실험에서 제기된 질문, 즉 위치와 운동량의 큰 변화와는 무관한 측정 범위로 불확실성을 이동시켰다. 이를 통해 연구진은 찾고자 하는 작은 입자의 위치와 운동량의 미묘한 변화까지 정밀하게 측정할 수 있었다.

대략적인 거친 것을 포기하고 미세한 것을 측정하다

연구진은 이러한 접근 방식의 원리를 비유로 설명했다. 양자 실험은 바늘이 하나뿐이고 가장자리에 분 눈금이 있는 시계와 유사하게 작동한다. 이를 통해 분 단위는 매우 정확하게 읽을 수 있지만, 시간이나 더 큰 맥락에 대한 정보는 제공하지 않는다. 이는 물리학자들이 자신에게 중요하지 않은 것을 무시하기 위해 의도적으로 불확실성을 타협하는 방식이다.

▲ 연구진은 양자 실험의 원리를 바늘 하나와 문자판 하나만 있는 시계에 비유했다. 시침은 시간을 정확하게 읽을 수 있지만, 분은 모호할 뿐이다. 반면 분침은 분을 매우 정확하게 읽을 수 있지만, 시간에 대한 정보는 손실된다. 연구팀은 미세한 정보를 위해 "분" 방식을 사용했다. © 시드니 대학교

"우리는 전반적인 정보를 포기하지만, 전례 없는 민감도로 미세한 변화를 감지할 수 있는 능력을 얻는다. 이 전략을 양자 시스템에 적용함으로써 입자의 위치와 운동량 모두의 변화를 훨씬 더 정확하게 측정할 수 있다"고 발라후는 말했다.

공동 저자인 멜버른 RMIT 대학교의 벤 바라지올라(Ben Baragiola)는 "이 방식은 미세한 세부 사항이 거친 사항보다 더 중요한 작은 신호에 최적화되어 있다"고 덧붙이며, "우리는 하이젠베르크의 원리를 깨지 않았다. 우리의 프로토콜은 전적으로 양자역학 내에서 작동한다"고 강조했다.

양자 컴퓨터와 정밀 센서

이 연구팀은 원래 양자 컴퓨터에 응용하기 위해 양자 입자의 특성을 연구했다. 하지만 양자 센서에도 활용할 수 있다. RMIT 대학교의 공동 저자인 니콜라스 메니쿠치(Nicolas Menicucci)는 "강력한 양자 컴퓨터를 위해 개발된 아이디어는 센서가 양자 잡음에 압도되지 않고 약한 신호를 감지할 수 있도록 재활용될 수 있다"고 말했다.

이 연구팀은 이러한 양자 센서를 제작하여 이를 입증했다. 진자는 일종의 격자에 갇힌 이온을 사용하여 매우 작은 공간에서 앞뒤로 진동했다. 이러한 양자 상태에서 이온의 위치와 운동량을 초고정밀도로 측정할 수 있었습니다. 그 결과는 기존 센서보다 훨씬 정확했다.

연구 및 기술을 위한 새로운 도구

이러한 초정밀 양자 센서는 예를 들어 내비게이션 장치에 사용되어 GPS가 작동하지 않는 곳(예: 잠수함, 지하 또는 우주 여행)의 위치 측정을 개선할 수 있다. 또한 연구진에 따르면 이 센서는 의학, 생물학, 기술, 물리학 등 다양한 분야에서 실용적이고 기본적인 측정에 사용될 수 있다.

새롭게 개발된 센서 기술은 아직 그 이점을 완전히 예측할 수 없는 완전히 새로운 도구다. 발라후는 "원자 시계가 내비게이션과 통신을 혁신했듯이, 극도의 감도를 가진 양자 기반 센서는 완전히 새로운 산업을 가능하게 할 수 있다"고 말했다.

참고: Science Advances, 2025; doi: 10.1126/sciadv.adw9757
출처: 시드니 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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