1928년 덴마크의 물리학자 닐스 보어는 물질이 입자와 파동의 특징을 함께 갖고 있다는 ‘상보성의 원리’를 제안했다. 그러나 지금까지 이를 정량적으로 측정할 기술이 없었기 때문에 상보성은 정성적인 관계로만 이해되어 왔다. 최근 양자컴퓨터 실현이 초읽기에 들어설 만큼 양자과학이 진보했지만, 여전히 ‘양자 물체의 파동-입자 이중성 및 상보성’, ‘두 양자 물체의 파동 함수 얽힘’ 등 완전히 이해되지 않은 개념들도 여럿 존재한다. 특히 정량적인 상보성 원리는 양자과학에 필수적인 파동함수의 중첩과 얽힘을 이해하는 근간이 된다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 분자 분광학 및 동력학 연구단의 조민행 연구단장(고려대 화학과 교수)과 윤태현 연구위원(고려대 물리학과 교수) 연구팀은 양자 물체의 파동-입자 정량적 상보성에 대한 새로운 모델을 제안하고, 자체 개발한 장비를 통해 이를 실험적으로 검증했다.

상보성 원리와 파동-입자 이중성을 엄밀히 검증하려면 파동성과 입자성을 각각 측정할 수 있는 양자역학적 복합시스템이 필요하다. 즉, 양자 입자를 만들어내는 장치, 양자 입자 위치 또는 경로의 탐지 장치, 중첩 상태의 양자 입자가 만들어내는 간섭현상의 측정 장치 등이 갖춰져야 한다. 지금까지 여러 복합시스템이 이론적으로 제안되고, 일부는 실험까지 진행됐지만, 양자 물체의 상보성과 입자-파동 이중성을 완벽하게 검증할 수 있는 장치는 없었다.

연구진은 새로운 실험 시스템인 ‘얽힌 비선형 광자쌍 광원(ENBS)’을 자체 개발하여 이 한계를 돌파했다. ENBS 시스템은 기존 측정 시스템들과 달리 실험적으로 얽힘 정도를 조절할 수 있다. 즉, 양자 물체의 파동성과 입자성을 상보적 관계의 틀 안에서 실험적으로 조절하는 것이 가능하다.

연구진은 이 실험을 통해 양자 물체의 입자성과 파동성의 상호 연관은 물론, 둘 사이에 정량적 관계가 존재함을 증명했다. 이 결과는 보어의 ‘양자 입자의 파동성과 입자성은 서로 배타적이어서, 하나의 성질만 하나의 측정 장치로 알 수 있다’는 이론과 달리, 얽힘 정도를 조절해 배타적 성질 모두를 하나의 장치로 측정 가능함을 의미한다. 상보성의 원리 최초 제안 이후 약 100년 만에 파동-입자 상보성의 정량적 관계를 측정해냈다는 학술적 의미가 크다.

윤태현 연구위원은 “이 연구에서 제안 및 검증한 양자 복합시스템 실험장치를 이용한다면, 아직까지도 미지의 영역으로 남아있는 여러 양자역학적 난제를 해결할 실마리를 찾을 수 있을 것”이라고 말했다.

조민행 단장은 “1965년 노벨물리학상을 수상한 리차드 파인만은 ‘양자역학의 본질은 이중틈(double-slit) 실험의 이해에 있다’는 말을 남겼다”며 “앞으로 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단은 새롭게 제안한 양자 얽힘 장치를 이용하여 양자역학의 신비로운 특성들을 좀 더 깊게 연구할 예정”이라고 말했다.

연구결과는 8월 19일 03시(한국시간) 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF 14.136) 온라인 판에 실렸다.

그림설명

▲ [그림 1] ENBS(얽힌 비선형 광자쌍 광원) 복합시스템의 모습

▲ [그림 2] 본 논문에서 제안하는 ENBS (얽힌 비선형 광자쌍 광원) 모델두 매개하향변환 결정 (PPLN1, PPLN2)에서 발생한 두 시그널 광자(_s1,_s1)는 빔 합치기 (BS3)에서 양자 중첩이 되고 단일광자 검출기 PD에서 단일 광자 간섭무늬의 가시도 가 측정된다. 또한 단일광자를 발생에 기여하는 두 아이들러(_i1,_i2) 빔은 시그널 광자가 각각 다른 PPLN 결정에서 생김에 따라 단일광자-증가-가갑섭 상태(| α_1,2 +1 >)가 된다. 따라서 두 아이들러 빔의 파동함수의 중첩도 에 따라 아이들러와 시그널 광자와의 얽힘(Ε)의 정도가 결정되고, 곧바로 시그널 광자의 순도 _μs를 경정하게 되며, 단일 광자의 광 경로 정보 ρ (경로 예측 확률)를 알게된다. 따라서 ENBS 모델에서는 실험적으로 조절 가능한 |α₁|과 |α₂|를 조절하여 단일 광자의 파동성 V와 입자성 를 조절 할 수 있는 최초의 시스템 및 실험장치를 제공한다.