물리학자 니엘스 보어(Niels Bohr)는 1913년 최초로 양자 점프(quantum jumps) 혹은 양자 뜀의 개념에 대해 인지하였었다. 보어는 양자 점프를 원자가 광자를 방출하거나 혹은 흡수하여 전자를 원자 내의 또 다른 에너지 준위로 뛰어넘게 만드는 객관적 사건으로 이해하였었다. 그러나 수 십 년이 지난 후 물리학자들이 측정 형태가 양자역학적 관점에서 결과에 어떻게 영향을 미치는지 이해함에 따라 양자 점프의 객관성은 보다 면밀한 검토가 요구되었다.

이후 1990년대 초 물리학자들은 양자 궤도 이론(quantum trajectory theory)을 개발하여 양자 점프가 광자의 방출에 의해서 야기되는 것이 아니라 광자의 검출에 기인한다는 것을 입증하였었다. 만약 방출된 광자가 검출되지 않는다면 양자 점프는 존재하지 않는다. 다시 말해, 양자 점프는 검출기 의존적인 특성으로 보어의 객관적 방출 사건과는 대조를 이룬다.

검출기 의존적인 양자 점프가 존재할 수 없다는 주장이 받아들여지고 있음에도 불구하고 이러한 주장을 철저히 검증할 수 있는 어떠한 실험 결과도 이전에 수행되지 않았었다. 최근 오스트리아 그리피쓰대(Griffith University) 및 IBM 왓슨 연구 센터(Watson Research Center)의 과학자들은 모든 양자 점프가 검출기 의존적이라는 것을 입증할 수 있는 실험을 제안하였으며, 이에 대한 연구 결과를 Physical Review Letters에 보고하였다.

금번 연구 결과는 양자 점프에 대해 들어보았던 것과 연관되어 있지만 근본적인 성질은 여전히 실험적으로 구축되지 못했었다. 연구진은 실제 실험을 제안함으로써, 실제 실험에 대한 총체적 검토와 검출 효율성을 증가시킬 수 있는 동기가 마련되었다. 제안된 시험은 양자 점프에 대한 특정한 검출기 의존적인 모델만이 아니라 검출기 의존적인 관점에서 양자 점프를 설명할 수 있는 모든 모델을 배제하였다.

이러한 시험의 핵심은 원자에 의해 방출된 광자의 방사 필드를 모니터링하는 두 가지 상이한 방법이 존재하지만 두 방법은 상호 호환적이지 않은 결과를 나타낸다는 것을 입증하는 것이다. 시험 절차는 앨리스(Alice)와 밥(Bob)의 두 입자가 뒤엉킨 상태(entangled state)를 공유하는 EPR 조향 현상의 예를 들 수 있다. 뒤엉킨 상태의 반쪽에 대해 측정을 진행함으로써, 앨리스는 호환되지 않는 다른 상태로 밥의 반쪽을 붕괴시킨다. 이러한 방식에서 앨리스는 밥의 시스템이 측정에 무관하게 존재하는 객관적인 양자 상태를 갖지 않는다는 것이 입증된다.

유사한 기술을 이용하여 두 가지 상이한 모니터링 기술이 상이한 두 개의 결과를 어떻게 생성하는지에 대해 연구진은 설명하였다. 수학적으로 EPR 조향 비동질성은 검출기 효율이 특정 값 이상이 되면 위반될 수 있다. 이러한 효율성 값, 0.58은 여전히 실험적으로 도전적인 상황이지만, 새로운 시험을 위해 이를 얻어낸다면 모든 모델을 배제할 수 있을 것이다.

효율성 요구 조건이 만족된다면 이것을 통해 모든 모델이 배제될 수 있다. 그러나 만약 요구 조건이 만족되지 못하면 어떠한 결론에 이르지 못하게 될 것이다. 연구진은 양자 점프가 실제로 검출기 의존적이란 것을 입증할 수 있는 위와 같은 시험이 향후 수행될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

연구진의 계획은 라디오파 전송 라인에 연결된 초전도 큐비트와 같이 원자가 아니 다른 시스템에서 수행되는 시험을 구상하고 있다. 연구진은 역학 형태가 상당히 다르기 때문에 어느 정도의 효율성이 요구되는 조건인지를 아직 알지 못한다. 그러나 실험을 통해 효율성을 증가시키기 위한 노력을 지속하고 있다.

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청색 영역: 제안된 실험이 모든 객관적 양자 점프 이론을 배제할 수 있는 고효율 영역

[원문]
Howard M. Wiseman and Jay M. Gambetta. “Are Dynamical Quantum Jumps Detector Dependent?” PRL 108, 220402 (2012). DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.220402