양자의 미스터리 해결: ‘양자 디지털 홀로그래피’로 본 놀라운 음양 세계


양자역학은 물리학의 가장 기본적인 원리 중 하나로, 그 복잡성과 신비로움으로 인해 많은 연구자들의 관심을 끌어왔습니다. 최근에는 이러한 양자역학의 원리를 활용하여 빛의 기본 입자인 얽힌 광자를 시각화하는 새로운 방법이 개발되었습니다.


이 방법은 ‘양자 양과 음’ 또는 ‘양자 음양’이라고도 불리며, 이는 두 광자가 얽혀 있을 때 그들 사이의 복잡한 상호 작용을 시각화하는 것을 의미합니다. 기술의 발전은 양자 컴퓨팅, 양자 암호화 및 다른 양자 기술 분야에서의 혁신적인 발전을 약속하고 있습니다.

양자 음양의 시각화

양자 음양의 시각화는 최근 양자역학 연구에서 중요한 주제로 부상하였습니다. 이는 ‘양자 디지털 홀로그래피’라는 기술을 통해 두 얽힌 광자의 ‘파동 함수’를 시각화하는 방법으로 제시되었습니다.


해당 기술은 양자 상태의 두 광자를 실시간으로 시각화하며, 그 결과로 중국의 ‘태극도’와 유사한 양자 ‘음양’ 이미지가 생성됩니다.


이미지는 두 광자가 얽혀 있을 때 그들 사이의 복잡한 상호 작용을 나타내며, 이는 양과 음, 빛과 어둠과 같은 상반된 힘들이 서로 연결되어 있다는 원리를 시각적으로 표현합니다.


연구는 오타와 대학과 로마의 사피엔자 대학의 연구팀에 의해 발표되었으며, Nature Photonics라는 학술지에 상세하게 기술되어 있습니다.

반투명한 푸른 음양 ⓒiStock

양자 얽힘의 복잡성


양자 얽힘은 양자역학의 핵심 원리 중 하나로, 두 입자가 서로 얽혀 있어서 한 입자에 변화가 생기면 다른 입자에도 즉시 변화가 생기는 현상을 의미합니다.


이러한 현상은 알버트 아인슈타인이 “스푸키한 원거리 작용”이라고 부른 것으로, 두 입자가 얼마나 멀리 떨어져 있든 상관없이 서로에게 영향을 미칠 수 있다는 것을 나타냅니다. 양자 얽힘의 복잡성은 양자 객체의 ‘파동 함수’를 찾는 것과 관련이 있습니다.


파동 함수는 양자 엔터티의 다양한 속성, 예를 들면 위치와 속도와 같은 것들의 가능한 결과를 예측하는 데 사용됩니다. 그러나 양자 시스템의 함수를 정확하게 파악하는 것은 ‘양자 토모그래피’라는 과정을 통해 이루어지며, 이는 시스템이 복잡해질수록 어려워집니다.


이러한 복잡성을 극복하기 위해 연구자들은 양자 디지털 홀로그래피와 같은 새로운 기술을 개발하였습니다. 이 연구는 오타와 대학과 로마의 사피엔자 대학의 연구팀에 의해 진행되었으며, 그 결과는 Nature Photonics라는 학술지에 발표되었습니다.

양자 토모그래피의 혁신

광자 펌프 장치에 의해 전송된 이미지(왼쪽),
얽힌 광자의 간섭 패턴의 세부 정보로 재현(오른쪽)
ⓒnature


양자 토모그래피는 양자 시스템의 파동 함수를 파악하는 과정으로, 이는 양자 객체의 다양한 속성을 예측하는 데 필수적입니다. 전통적인 양자 토모그래피 방법은 복잡한 양자 상태를 측정하고 분석하는 데 많은 시간이 소요되며, 시스템이 복잡해질수록 도전이 커집니다.


최근 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘양자 디지털 홀로그래피’라는 새로운 기술을 도입하였습니다. 이 기술은 얽힌 광자와 알려진 양자 상태를 중첩시켜 ‘동시성 이미지’를 캡처하는 방식으로 작동합니다.


이러한 방법은 기존의 방법보다 지수적으로 빠르게 작동하며, 몇 분 또는 몇 초 만에 결과를 제공할 수 있습니다. 이러한 혁신적인 접근 방식은 양자 상태 토모그래피의 큰 기여로 간주되며, 이는 광동성의 남중국 정상 대학의 Wang Jindong 교수에 의해 강조되었습니다.

연구는 오타와 대학과 로마의 사피엔자 대학의 연구팀에 의해 진행되었으며, 그 결과는 Nature Photonics라는 학술지에 발표되었습니다.

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