양자 물리적으로 얽힌 두 물체 직접 측정에 성공

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-05-10 20:44:00
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* 얽힌 시스템은 직경 20마이크로미터, 두께 100나노미터의 두 개의 둥근 알루미늄 막으로 구성
* 두 개의 얇은 막은 각각 무게가 약 70피코그램이고 약 1조 개의 원자 포함
* 드럼 하나의 위치 ​​측정 후, 두 번째 드럼의 위치를 ​​얼마나 잘 도출할 수 있는지 측정
* 1만 번 테스트, 밀리 초 동안 얽혀 있음 확인

얽힘은 거시적으로 측정할 수 있다.
두 개의 미니 드럼의 양자 물리적으로 연결된 움직임 패턴 시연


마이크로미터(㎛) 범위의 양자 효과 :
처음으로 과학자들이 거시적인 물체를 양자 물리적으로 얽히고 이를 직접 측정하는 데 성공했다. 이를 위해 두 개의 20㎛(마이크로미터) 소형 알루미늄 드럼의 진동 패턴을 연결하고 일종의 마이크로파 레이더를 사용해 여기 패턴의 상관관계를 측정했다. 전문 잡지 "Science"의 과학자들에 따르면 이 크기의 물체를 측정할 수 있게 엉키게 할 수 있다는 것은 새로운 연구 접근법과 응용을 가능하게 한다. 

▲ 물리학자들이 크기가 약 20 마이크로 미터인 이 두 알루미늄 막의 진동을 양자 물리적으로 얽혀 처음으로

직접 측정했다. © Teufel/NIST


양자-물리적 얽힘에서 두 물체는 하나의 상태 변화가 파트너의 상태를 자동으로 유발하는 방식으로 서로 결합된다. 이것은 거리에 관계없이 즉시 발생한다. 광자, 원자 또는 분자와 같은 양자 세계의 입자의 경우 이는 거의 일상적인 일이다.

그러나 얽힘이 가능하려면 물체의 크기는 어느 정도까지일까?
양자 물리적 효과는 우리가 인지하지 못하거나 증명할 수 없는 상태에서 일상적인 물체에도 영향을 미칠까? 아니면 큰 물체의 파괴적 효과가 너무 강하기 때문에 얽힘이 미시세계로 제한될까?
지금까지 이 질문에 대한 답은 명확하지 않았기 때문에 물리학자들은 얽힘의 상한선을 더 탐구하려고 노력하고 있다.

가능한 한도를 더 크게

볼더에 있는 미국 국립 표준기술연구소의 쉴로미 코틀러(Shlomi Kotler)가 이끄는 팀은 최근 이 방향으로 중요한 조치를 취했다. 20㎛ 크기의 물체 두 개를 얽히게 해 거시적 얽힘의 한계를 다른 작은 조각으로 이동시켰다.

그들은 처음으로 일종의 "마이크로 웨이브 레이더"를 사용해 이 얽힘을 직접 측정했다.

“우리는 측정된 변수에서 직접 얽힘을 관찰 할 수 있었다”고 말했다.

거시적 얽힘을 직접 측정할 수 있는 가능성은 이 양자 물리적 현상에 대한 완전히 새로운 응용 가능성을 열어준다. Kotler와 그의 동료들은 센서가 양자 한계를 넘어서는 측정을 허용하고 미래의 양자 네트워크에서 수명이 긴 노드로 기능하기 때문에 이러한 얽힌 거시적 시스템은 양자 역학의 기본 테스트에 사용될 수 있다.

진동하는 알루미늄 콘

특히 얽힌 시스템은 직경 20마이크로미터, 두께 100나노미터의 두 개의 둥근 알루미늄 막으로 구성되어있어 작은 멤브레인처럼 자유롭게 진동할 수 있다. 이 두 개의 얇은 막은 각각 무게가 약 70피코그램이고 약 1조 개의 원자를 포함한다. 양자 물리적 표준에 따르면 이것은 거시 세계의 한계다.

실험에서 팀은 처음에 극초단파 펄스를 사용해 이 마이크로 드럼을 절대 영도 바로 위 온도로 냉각했다. 더 많은 펄스로 그들은 두 개의 막을 진동시키고 동시에 이러한 움직임을 얽히게 했다. 물리적 측면에서 드럼은 이제 얽힌 포논 쌍을 공유하며 기본 여기 패턴이 연결됐다.

마이크로파 펄스가 얽힘을 나타냄

연구진은 막에 의해 반사된 후 증폭된 두 개의 추가 마이크로파 펄스를 사용해 두 개의 마이크로 드럼 사이에 얽힘이 있음을 확인했다. Kotler의 동료 존 토이펠(John Teufel)은 "대략적으로 말하면 두 변수의 상관관계를 측정한다. 예를 들어 드럼 하나의 위치를 ​​측정하면 이 측정값에서 두 번째 드럼의 위치를 ​​얼마나 잘 도출할 수 있는지 측정한다”고 설명했다.

약 1만 번 반복된 테스트 실행의 결과는 두 개의 마이크로 드럼의 움직임이 양자 표준에 따라 오랜 시간인 밀리 초 동안 각각 얽혀 있음을 보여주었다.
"두 드럼의 위치와 운동량을 개별적으로 분석하면 서로 독립적으로 나타난다"고 Teufel은 설명했다. “하지만 함께 살펴보면 한 드럼의 임의의 움직임이 다른 드럼의 움직임과 높은 상관 관계가 있음을 알 수 있다. 이것은 양자 얽힘을 통해서만 가능한 방식으로 발생한다.”
(Science, 2021; doi : 10.1126 / science.abf2998)
출처 : National Institute of Standards and Technology (NIST)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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