구분 어려운 양자 과정 '동기화'로 판별…양자정보 분석 활용 기대시간을 앞으로 돌리든 거꾸로 돌리든 구별하기 어려운 양자 과정에 일종의 '시계'를 붙여 시간의 방향을 판별하는 방법이 나왔다. 시간과 공간에 흩어진 양자정보를 하나의 '시공간 양자상태'로 재구성하고 실험적으로 측정할 수 있는 이론적 방법도 제시됐다.
울산과학기술원(UNIST)은 이석형 물리학과 교수와 권혁준 고등과학원 계산과학부 교수 연구팀이 시공간 여러 지점에 존재하는 양자정보를 간섭계로 측정해 하나의 시공간 양자상태로 재구성하는 이론을 정립했다고 20일 밝혔다.
시간 순서가 모호한 양자사건의 상관관계를 측정하는 간섭계 개략도. 연구팀은 사건의 인과 순서를 알 수 없는 상황에서도 간섭계로 양자정보를 측정하고, ‘동기화’를 이용해 시간반전 대칭성 때문에 구분하기 어려웠던 양자 과정의 시간 방향까지 판별할 수 있음을 입증했다. 연구팀 제공기존 양자이론에서는 같은 시간에 서로 떨어져 있는 입자들의 관계를 '양자 상태', 하나의 양자계가 시간에 따라 변화하는 과정을 '양자 채널'이라는 서로 다른 수학적 대상으로 표현해왔다. 시간과 공간을 하나의 통합된 시공간으로 다루는 상대성이론과 달리 양자이론에서는 공간과 시간에 걸쳐 발생하는 양자 현상을 하나의 상태로 표현하기가 쉽지 않았다.
연구팀은 양자 실험에서 널리 사용되는 '간섭계'를 이용해 이런 시공간 양자상태를 측정할 수 있음을 수학적으로 증명했다. 간섭계는 양자가 여러 경로를 동시에 지나는 성질을 이용해 경로 사이의 차이를 신호로 읽어내는 장치다.
연구팀은 먼저 사건의 인과적 순서를 미리 알지 못해도 작동하는 측정 방법의 조건을 정의했다. 이어 이 조건을 만족하는 것과 간섭계를 통해 측정할 수 있다는 것이 필요충분조건, 즉 두 조건이 정확히 일치한다는 사실을 입증했다. 사건이 어느 시점과 위치에서 발생할지 사전에 알기 어려운 상황에서도 시공간에 흩어진 양자정보를 측정할 수 있다는 의미다.
양자에 '시계' 붙였더니 시간 방향 보였다
문제는 간섭계 신호만으로는 서로 다른 양자 과정이 똑같은 신호로 나타날 수 있다는 점이다. 미시세계의 '시간반전 대칭성' 때문이다. 시간이 앞으로 흐를 때와 뒤로 흐를 때 같은 물리법칙이 적용되면 관측 결과만으로 시간의 방향을 구분하기 어려울 수 있다.
공을 허공에 던지는 영상을 생각하면 이해하기 쉽다. 공이 위로 올라갔다 내려오는 장면 가운데 궤적만 일부 떼어놓고 보면 영상이 정상 재생되는 것인지 거꾸로 재생되는 것인지 구분하기 어려울 수 있다.
하지만 공에 째깍거리는 시계를 붙인다면 얘기가 달라진다. 시곗바늘이 어느 방향으로 움직이는지를 보면 영상의 시간 방향을 판단할 수 있다.
연구팀은 양자세계에서도 이와 비슷한 역할을 하는 '보조 양자'를 추가했다. 이를 통해 두 양자 과정의 시간 방향이 함께 맞춰지는 새로운 시공간 양자 상관관계인 '동기화(synchronization)'를 규명했다. 보조 양자를 일종의 기준이 되는 '시계'로 활용하면 시간반전 대칭성 때문에 기존에는 구분하기 어려웠던 양자 과정도 판별할 수 있다는 것을 수학적으로 입증했다.
양자 레이더·입자 충돌까지…시공간 양자정보 활용 길
이번 연구는 시간과 공간에 걸쳐 일어나는 양자 과정을 하나의 상태로 표현하고 이를 실제 측정 결과와 연결할 수 있는 이론적 토대를 마련했다는 데 의미가 있다. 연구팀은 광학과 응집물질, 초전도 시스템 등에서 일어나는 양자정보 처리 과정을 표현하고 분석하는 데 활용할 수 있을 것으로 보고 있다. 사건의 발생 시점과 위치를 미리 특정하기 어려운 양자 레이더나 입자 충돌 실험 등도 잠재적인 적용 분야로 제시했다.
이석형 UNIST 교수. UNIST 제공이 교수는 "시간과 공간을 함께 아우르는 양자 상태를 어떻게 정의하고 측정할 수 있는지는 양자정보과학과 양자 기초론의 중요한 난제로 남아 있었다"며 "이번 연구는 양자 상태를 '측정 결과로부터 어떻게 알 수 있는가'라는 실험적 질문에 답했다는 점에서 의미가 있다"고 말했다.
이어 "이 이론은 광학·응집물질·초전도 등 다양한 분야의 양자정보 처리 과정을 효율적으로 표현하고 분석하는 데 활용할 수 있으며, 양자 레이더나 입자 충돌 실험처럼 사건의 시점과 위치를 미리 알기 어려운 상황에도 적용할 수 있을 것"이라고 덧붙였다.
연구 결과는 물리학 분야 국제학술지 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)'에 지난 6월 24일 게재됐다. 논문명은 '간섭계를 통한 시공간 양자상태 탐색(Probing Quantum States Over Spacetime Through Interferometry)'이다.