물리 양자 상호작용의 이해

2014.05.25 21:33

양자 상호작용의 이해 http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2014050309&service_code=03
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-05-20

양자 계측에서 급속히 성장하고 있는 부문에서 양자 효과는 상(phase), 주파수(frequency), 자기장(magnetic field)과 같은 다양한 인자를 측정할 때 정밀도를 향상시키기 위해 사용되고 있다. 본 연구의 주된 목표는 다양한 과학 영역에서 사용될 수 있는 정확한 측정 디바이스를 개발하는 것이다. 최근 영국 노팅햄대(University of Nottingham) 연구진은 이러한 목표가 학과 시험에서 가장 어려운 문제에 대한 답을 찾는 것과 유사하다고 말한다.

앨리스(Alice)는 그녀의 친구인 밥(Bob)의 도움으로 시험 준비를 한다. 그녀는 가장 어려운 문제에도 답을 준비할 수 있을 것인지 어떻게 확신할 수 있을까? 우리는 이러한 문제를 다음과 같이 해결할 수 있다. 그녀는 뒤엉킴(entanglement)이 사라진 경우라도 일반적 형태로서 첫째 장소에서 밥과의 양자 상호작용(quantum correlation)을 공유할 필요가 있다.

연구진은 Physical Review Letters에 양자 수준에 있어서의 앨리스 시험 문제에 대한 연구 결과를 보고하였다. 양자 시나리오에서 목표는 양자 상태가 변환된 후 회전하는 각도를 가능한 정밀하게 측정하는 것이다. 높은 수준의 정밀도는 우수한 시험 성적과 동일한 개념이다.

모든 우수 학생들이 알고 있는 것처럼 고득점을 얻는데 있어 핵심은 준비 과정에 있다. 양자 상태의 회전 각도를 측정할 때 높은 정밀도를 얻는 것 또한 동일하다고 볼 수 있다. 양자 상태는 모든 방향의 회전에 대해 감도가 우수한 방식으로 준비되어야 한다. 즉, 가장 어려운 시험과 동일하게 볼 수 있는 가장 악한 환경의 경우에서 조차도 감도가 보증되어야 한다.

이러한 요구조건을 만족하는 양자 상태를 준비하는 한 방법은 탐침 양자 시스템을 양자 부조화(quantum discord)를 이용하여 또 다른 양자 시스템에 상관 관계를 맺도록 하는 것이다. 시험과 유사하게 시험을 치루고 있는 학생이 교실 밖에 있는 다른 사람과 연락을 취하는 것을 생각해 볼 수 있다.

연구진은 방향이 알려져 있지 않았을 때 상의 전이를 가늠하는데 있어 최소의 보증된 정밀도를 정확하게 정량화하기 위해 양자 부조화를 찾아내었다. 이는 준비하지 못한 문제가 출제되어 받게 될 시험에서와 같이 최저의 점수를 정확하게 측정하는 것과 같다. 초기 상태가 고전적 상관성만 가지고 있다면, 즉, 전혀 준비하지 못한 질문이 출제된다면, 시험은 0점을 맞을 것이다. 만약 약간의 양자 부조화를 가지고 있다면 0점 이하의 점수를 받지는 않을 것이다.

양자 부조화 형태의 상관관계가 회전 각도를 측정하는데 있어 최소의 정밀도를 보장한다는 것이 입증됨으로써 이번 연구 결과는 양자 부조화의 유용성에 대한 최초의 예가 될 수 있었다. 연구진의 연구 결과는 이론과 핵 자기 공명 실험을 통해 입증될 수 있었으며, 양자 테크놀로지에 대한 양자 상관성의 잠재 능력에 대한 통찰력을 제시할 수 있었다.

응용 분야는 무궁무진하다. 부조화가 근본적인 요소라는 것을 입증하는 것이 원리 검증 단계가 될 것이다. 기본적으로 이는 부조화가 서브시스템의 양자 결맞음(coherence)과 연결된 정밀한 수단임을 의미한다. 다시 말해 계측, 센싱, 양자 암호와 같은 분야에 결맞음이 요구되면 부조화를 갖는 상관 상태를 이용한 입증이 가능하다.

연구진은 이번 연구 결과를 중력 파동 검출기에서 중요하게 응용될 수 있는 압착된 빛을 갖는 광학 계측으로 확대하려 하며, 의료 이미징 및 자기측정으로 확장하는 연구를 할 계획이다.

[그림]
블랙 박스 내에서 양자 상태의 회전 각도에 대해 정밀하게 측정하기 위해 앨리스는 밥과의 양자 상호작용을 공유함. 양자 부조화 형태의 상관관계는 회전 각도를 측정하는데 있어서의 정밀도를 보증함.

[원문]
Davide Girolami, et al. "Quantum discord determines the interferometric power of quantum states." Physical Review Letters. To be published. Also at arXiv:1309.1472

[출처] http://phys.org/news/2014-05-quantum.html

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