양자역학의 비고전성 의미 규명 성공

양자역학적 비고전성의 실용적 의미 및 정량화 방법을 규명해 양자역학 이론의 주요 개념과 실용적 응용성을 연결한 연구결과가 나왔다.

한국연구재단은 서울대 정현석 교수 연구팀이 이같은 연구결과를 발표했다고 10일 밝혔다.

고전물리학은 뉴턴의 방정식에 따라 주어진 시간에 특정한 위치와 속도로 정해진 궤도를 움직이는 운동을 기술한다.

하지만 양자역학에 따르면 어떤 물리계는 고전물리학으로는 설명이 불가능한 비고전 상태로 존재한다.

특히 양자역학적 유사확률함수가 0보다 작은 음(-)의 값을 가지는 성질을 비고전성*이라고 한다.

대표적인 양자 성질 중 하나인 빛의 양자이론에 대한 공로로 노벨 물리학상을 수상한 로이 글라우버 등에 의해 1960년대 확립된 개념이다.

'비고전성'은 어떤 일이 일어날 가능성을 의미하는 확률은 결코 0보다 작은 음의 값을 가질 수 없다. 양자역학적 이론 체계에 따라 정의되는 유사확률함수는 특정한 양자 상태에 대해 음의 값을 보여주는 데 이러한 상태는 고전물리학으로는 설명이 불가능하다.

그러나 이러한 비고전성이 구체적으로 어떤 실용적 의미를 갖는지 정확히 알려진 바가 없었다. 또 비고전성을 정량화하기 위해 다양한 시도가 이루어졌지만, 지금까지 통일된 척도는 마련되지 못했다.

연구팀은 물리 상태의 비고전성이라는 개념이 직접적으로 양자계측*의 유용성을 의미한다는 사실을 규명했다. 어떤 물리계가 비고전 상태로 존재하면, 양자계측에 실용적으로 사용될 수 있다는 것을 입증한 것이다.

양자계측은 고전적인 방법으로 감지하기 어려운 지극히 작은 신호를 감지하는 기술로, 중력파 측정 등에 응용할 수 있다.

또 연구팀은 실용적 의미를 가진 비고전성의 정량화 척도를 양자계측에 활용하는 변수의 분산(variance)을 최적화하는 방법으로 제안하고, 이렇게 제안한 척도가 양자역학에서 자원을 정량화할 때 요구되는 엄밀한 조건을 모두 만족시킨다는 사실을 증명했다. 이러한 척도를 통해 양자 상태의 비고전성을 정량적으로 비교할 수 있게 되었다.

정현석 교수는 “이번 연구를 통해 이론적 영역에서 발전한 비고전성의 개념을 실용적 응용에 직접 적용할 수 있는 길을 열었다”고 연구의 의의를 설명하며, “향후 비고전성을 포함하여 현재까지 알려진 양자 성질을 통합적으로 이해하고 다양한 응용성을 밝히기 위한 연구를 수행할 것”이라고 후속 연구계획을 밝혔다.

정 교수는 "이 논문에서 밝힌 양자 상태의 비고전성과 양자 계측의 정밀성의 밀접한 연관성은 향후 정밀계측을 위한 양자상태를 준비하고 측정하는 데에 유용하게 활용될 수 있을 것"이라며 "특히 변위 연산자에 대한 양자 계측의 정밀성이 위상에 대한 정밀성으로 직접적으로 변환될 수 있다는 발견은 중력파 검출 실험을 위한 LIGO를 비롯하여 초정밀 측정을 요하는 실험들의 기술적인 문제에 대한 유용한 해답을 제시할 수 있을 것으로 생각된다"고 덧붙였다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(리더연구)의 지원으로 수행되었다.

연구 결과는 물리학 분야 저명 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 2월 1일 게재되었다.

[e-mail] 조석장 기자