물리 양자 뒤엉킴에 대한 중력 효과

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물리학자들은 큰 영역의 현상을 설명하는 상대성(relativity) 이론과 작은 영역의 현상을 설명하는 양자 이론(quantum theory)을 통합할 수 있는 방법을 끊임없이 찾고 있다. 이러한 분야에서 제안된 실험 중 하나로 뒤엉킨 응집체(entangled condensate)를 운송하는 두 개의 "나노위성(nanosatellite)"은 상이한 중력장 세기를 가지고 있는 상이한 궤도로 이동할 때까지 지구 주변을 돌게 된다.

중력 변화의 결과로서 응집체 간의 뒤엉킴은 최대 20%까지 떨어지는 것으로 예측된다. 실험적으로 검사된 본 제안은 가까운 미래에 실현될 것으로 예상된다. 한편, New Journal of Physics에는 상대성 효과가 어떻게 양자 영역에 영향을 미치는지에 대해 이론적으로 보고되었다.

금번 연구 결과에 따르면, 실제 뒤엉킨 양자 시스템을 갖는 거대 수준의 고전 시스템에 영향을 미칠 것으로 생각되는 중력 효과를 검사하는 것이 가능한 것으로 나타났다. 연구 결과는 뒤엉킴에 대한 상대성의 효과를 이해할 수 있는데 도움되는 것으로, 양자 정보 처리를 위한 중요한 요소가 된다. 양자 이론과 상대성을 병합하는 이론이 최근까진 부족했기 때문에 연구진의 결과는 대규모 수준에서 양자 효과를 연구하기 위한 미래의 이론 및 실험 연구에 도움될 것으로 예상된다.

기초적인 관심뿐 아니라 중력 및 기타 상대적 특징이 어떻게 양자 뒤엉킴에 영향을 미치는지 이해하는 것은 우주 기반의 분야에 대한 양자 기술을 개발하는데 도움될 것이다. 우주 기반의 양자 기술은 GPS와 같은 우주 기반의 전통적 기술을 양자 영역으로 취하는 것이다. GPS 위성은 시간과 위치를 정확히 정의하기 위해 상대적 수정(relativistic correction)이 요구되며, 동일한 특성이 양자 기술에서도 유지된다.

하지만, GPS가 광범위하게 사용되고 있는 반면 양자 기술은 아직 우주 환경에 대해선 개발되지 않았다. 현재까지 제안된 대부분의 방법들은 양자 역학 이론의 범주에 들어가는 반면, 이번에 제안된 아이디어는 양자 필드 이론의 범주 내에서 개발되었다는 점에 차별성이 있다. 이러한 이론은 물질과 방사가 양자화되어 있으며, 시관과 공간이 고전적인 관점에서 다뤄진다는 측면에서 양자와 상대성을 병합한 것이다. 연구진은 양자 필드 이론이 양자 성질에 있어서 중력 효과를 이해하기 위한 보다 우수한 모델을 제공한다고 말한다.

양자 필드 이론을 이용하여 연구진은 가속도 변화가 뒤엉킴에 영향을 미치는 이전의 연구 결과를 확장시킬 수 있었다. 등가 원리로 인해 이는 중력 변화 또한 뒤엉킴에 영향을 미친다는 것을 의미한다.

연구진은 최저 에너지 상태를 점유하는 극저온 원자 그룹인 보제-아인슈타인 응집체(Bose-Einstein condensate (BEC))를 준비하였다. 이는 양자 효과가 거시 수준에서 관찰될 수 있도록 하며, BEC의 음자 모드(phonon mode)는 이후 서로 뒤엉킨 상태를 형성한다.

BEC 간의 뒤엉킴 저하는 궤도-호핑 BEC가 최초의 속도 변화를 나타내면 즉시 발생하는 것으로 예상되며, BEC가 상이한 궤도로 움직이는 어떤 시간에서도 관찰될 수 있다. BEC에서 음자 모드 간의 뒤엉킴을 검출하는 것이 아직 성공되진 않았지만 가까운 미래에 달성될 것으로 연구진은 예상하고 있다.

뒤엉킴은 중력 변화로 인해 상대적으로 큰 저하를 겪게 되지만 본 효과에 대한 장점도 있다. 연구진은 또한 뒤엉킴의 세기가 두 궤도 간의 중력 차이로 인해 주기적으로 진동한다는 것을 발견하였다. 이는 뒤엉킴이 위성의 위치를 정확히 조절함으로써 저하되지 않을 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 연구 결과는 미래의 우주 기반 양자 기술을 최대로 활용할 수 있는 방법을 제시한다.

연구진의 목표는 양자 및 상대성 효과 모두를 이용하는 우주 기반의 상대적 양자 기술을 개발하는 것이다. 양자 역학 및 상대성 이론의 중첩에 대해 배울 것이 아직 많은데, 미래의 우주 기술에 대한 이론적 근거에서 자연 법칙의 심도 있는 이해에 이르는 다양한 부분이 충족되어야 할 것이다.

[그림]
분리된 위성에서 두 개의 뒤엉킨 BEC는 동일한 원형 궤도를 움직임으로써 개시됨. 이중 하나는 타원형의 이동 궤도에 의해 상이한 원형 궤도로 변화되기 위해 가속됨. 중력의 변화는 BEC간의 뒤엉킴 축퇴를 일으키는 것으로 예상됨.

[원문]
David Edward Bruschi, et al. "Testing the effects of gravity and motion on quantum entanglement in space-based experiments." New Journal of Physics. DOI: 10.1088/1367-2630/16/5/053041