고전 물리학으론 설명 안 되는 양자역학 의미 규명

서울대 정현석 교수팀 성과…이론적 개념·실용적 유용성 연결

서울대학교 물리·천문학부 정현석 교수(왼쪽)와 임페리얼 칼리지 런던 물리학과 권혁준 박사 [한국연구재단 제공=연합뉴스]

(대전=연합뉴스) 이재림 기자 = 우리 삶 속 다양한 기술을 이해하는 핵심 이론 중에는 양자역학(quantum mechanics)이라는 물리학 체계가 있다.

뉴턴 방정식을 근간으로 하는 고전 물리학과는 달리 물리계를 상태(state)라는 개념으로 나타낸다.

주어진 시간에 특정한 위치와 속도로 정해진 궤도를 이동하는 고전 물리학 입자 지식으로는 설명할 수 없다.

그러다 보니 양자역학으로만 확립할 수 있는 물리학적 성질도 등장한다.

예컨대 일반적으로 '어떤 일이 일어날 가능성'을 의미하는 확률은 결코 0보다 작은 값을 가질 수 없다.

그런데 양자역학적 체계에 따라 정의되는 유사확률 함수에서는 특정한 양자 상태에 대해 음(-)의 값을 보여준다.

물리학에선 이를 '비고전성'(nonclassicality)이라 칭한다.

비고전성은 학계에서 널리 받아들여 지는 인식이다.

다만 비고전성을 가진 상태가 구체적으로 어떤 실용적 의미를 가지는지에 대해선 그간 정확히 알려지지 않았다.

서울대 정현석 교수 연구팀은 비고전성이 직접 '양자 계측 유용성'을 뜻한다는 사실을 엄밀한 증명을 통해 밝혀냈다.

양자계측은 고전적인 방법으로 감지하기 어려운 지극히 작은 신호를 찾아내는 기술이다.

중력파 측정 같은 분야에 응용할 수 있다.

양자 계측에서 고전 상태(위)를 사용할 경우 측정 정밀도 Δφ는 고전적 한계를 넘어설 수 없다. 반면 슈뢰딩거 고양이 상태와 같은 비고전 양자 상태(아래)를 사용할 경우 약간의 변위에도 확률함수가 크게 달라지면서 기존 한계를 넘는 정밀 측정을 할 수 있게 된다. 이는 양자 비고전성 정량화 척도로 사용할 수 있다. [한국연구재단 제공=연합뉴스]

연구팀은 아울러 비고전성 정량화 척도를 양자계측에 활용하는 변수 분산(variance) 최적화 방식으로 제안했다.

양자역학에서 자원을 정량화할 때 요구되는 엄밀한 조건을 해당 척도가 모두 만족한다는 사실도 확인했다.

정현석 교수는 10일 "이론적 영역에서 발전한 비고전성 개념을 실용적 응용에 적용할 수 있는 길을 연 셈"이라며 "현재까지 알려진 양자 성질을 통합적으로 이해할 수 있는 연구를 지속할 계획"이라고 말했다.

연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(리더연구) 지원으로 수행했다.

성과를 담은 논문은 지난 1일 '피지컬 리뷰 레터스'(Physical Review Letters)에 실렸다.

영국 임페리얼 칼리지 런던 권혁준 박사가 1 저자인 논문의 원제는 'Nonclassicality as a Quantifiable Resource for Quantum Metrology'다.

walden@yna.co.kr



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