국내 연구진이 이론적으로 다뤄진 '시공간 양자상태'를 실제 양자실험에서 널리 쓰이는 간섭계로 직접 측정할 수 있는 방법을 제시했다. 광학, 응집물질, 초전도 등 다양한 분야에서 쓰이는 양자정보처리 과정을 간결한 수학적 상태로 표현하고 분석하는 데 활용할 수 있다.
이석형 UNIST 물리학과 교수와 권혁준 고등과학원 계산과학부 교수는 공동 연구로 시공간 여러 지점에 존재하는 양자 정보를 간섭계로 측정해 하나의 '시공간 양자상태'로 재구성하는 이론을 정립했다고 20일 밝혔다.
양자 이론에서 양자 상태는 같은 시간에 서로 떨어진 입자들의 관계다. 하나의 양자계가 시간에 따라 변하는 과정은 '양자 채널'이라는 별도의 수학적 대상으로 표현해 왔다. 시간과 공간을 하나의 통합된 시공간으로 보는 상대성이론과 통합이 어려웠던 이유다.
공동 연구팀의 이론에 따르면 양자 간섭계에서 얻은 신호로 시공간 양자상태를 재구성할 수 있다. 즉 사건의 인과 순서를 미리 알지 못해도 먼저 측정 방법의 조건을 정의한 후에 이 조건을 만족하는 것과 간섭계로 측정할 수 있는 것이 서로 정확히 일치한다는 것을 수학적으로 증명했다.
간섭계는 양자가 여러 경로를 동시에 지나는 성질을 이용해 두 경로의 차이를 신호로 읽는 장치이자 다양한 양자 실험에서 널리 쓰이고 있는 표준 측정 기술이다. 이 간섭계 신호만으로 양자 과정을 측정하면, 미시세계에서는 서로 다른 양자 과정이 동일 신호로 나타날 수 있다. 연구팀은 '나침반' 역할을 하는 보조 양자를 추가해 이 문제도 해결할 수 있음을 증명했다.
두 양자 과정의 시간 방향이 맞춰지는 새로운 시공간 양자 상관관계인 '동기화'를 규명하고, 이를 이용하면 미시세계에서 시간 반전 대칭성 때문에 어려웠던 두 양자 과정을 구별할 수 있다는 점도 밝혔다.
시간 반전 대칭성은 어떤 물리적 과정에서 시간이 앞으로 흐를 때나 뒤로 흐를 때 똑같은 법칙이 적용돼 그 방향성을 구분할 수 없는 물리적 성질을 뜻한다. 비디오로 허공에 공을 던지는 장면을 찍은 뒤 되감기를 할 때 공이 올라갔다가 떨어지고 과정을 시간적으로 구별하기 힘든 것과 흡사하다. 하지만 이 공에 째깍거리는 '시계'를 붙여 던지면 시간과 방향을 단번에 파악할 수 있다.
연구팀은 보조 양자를 '시계'로 활용한 이론적 모델을 만들어 겉보기에는 구별 불가능했던 양자과정의 시간 방향성까지 정확하게 찾아낼 수 있음을 밝혔다.
이석형 교수는 “시간과 공간을 함께 아우르는 양자 상태를 어떻게 정의하고, 어떻게 측정할 수 있는지는 양자정보과학과 양자 기초론의 난제로 남아 있었다”며 “이번에 정립한 이론은 광학·응집물질·초전도 등 다양한 분야에서 양자정보처리 과정을 효율적으로 표현하고 분석하는 데 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com