거시세계에서 "양자 스퀴징" 첫 증명…더 정교한 양자센서 나올까

하이커뮤니티매니져 0 5 09.22

137나노미터 크기의 유리 입자(가운데 하얀 점)가 초록색으로 보이는 레이저 빔 사이에 떠 있다. Kamba et al.(2025)/Science 제공

'양자 스퀴징(Quantum Squeezing)'은 양자역학의 기본적인 법칙 중 하나인 불확정성의 원리를 활용해 속도나 자기장 등 원하는 물리량을 정밀하게 측정하는 기법이다. 양자센서의 감도를 극대화해 중력파 검출이나 자기장 센서 분야 등에서 현존 기술로 감지할 수 없는 미세한 신호까지 측정하는 데 응용될 수 있다.

아이카와 키요타카 일본 도쿄대 물리학과 교수팀은 그동안 단일 원자나 광자 등 아주 작은 미시세계에서만 확인된 양자 스퀴징을 수많은 원자로 이뤄진 137nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m) 크기의 물체에서도 관측하는 데 성공했다. 양자역학이 지배하는 미시세계와 고전역학으로 해석되는 거시세계의 연결고리를 확인한 성과로 평가된다. 연구 결과는 18일(현지 시간) 국제학술지 '사이언스'에 공개됐다.

하이젠베르크의 불확정성 원리에 따르면 미시세계에서는 어떤 물체의 위치와 운동량을 동시에 정확히 알아낼 수 없다. 도출된 부등식에 따르면 두 물리량의 불확정성 곱은 일정한 최솟값이 있기 때문에 측정에 근본적인 한계가 발생한다.

양자 스퀴징은 불확정성의 원리 안에서 측정 정밀도를 향상하는 일종의 '테크닉'이다. 필요 없는 물리량의 불확정성은 늘리는 대신 정확히 알아내고 싶은 물리량의 불확정성을 줄이는 원리다. 전체 불확정성의 양은 유지하되 필요에 따라 재분배하는 개념이다.

이를 그래프로 나타내면 일반적인 양자 상태의 불확정성은 원형으로 그려지지만 양자 스퀴징 기법을 적용하면 비대칭으로 찌그러진 타원 형태가 된다.

김용수 한국과학기술연구원(KIST) 양자기술연구단장은 "양자 스퀴징은 센서 기술의 민감도를 근본적으로 향상하는 강력한 도구"라며 "양자 스퀴징은 자연계에서 저절로 일어나지 않으며 정교한 외부 조작이 필요한 현상"이라고 설명했다. 현재 대부분의 정밀 측정 기기들은 불확정성 원리에 따른 근본적인 한계가 존재한다. 양자 스퀴징이 이를 돌파할 방안이라는 설명이다.

광자나 원자보다 훨씬 큰 수백 나노미터 크기의 물체에 대해서는 그동안 양자 스퀴징이 실험적으로 확인되지 않았다. 주변 환경과 끊임없이 에너지를 주고받는 거시세계에서는 양자 특성이 쉽게 소멸되기 때문이다.

연구팀은 극저온 진공 상태에서 유리 나노입자를 고속으로 회전시키며 공중에 잠시 날리는 등 새로운 방법을 적용했다. 그 결과 나노입자의 운동량과 속도 측정에서 양자 스퀴징이 일어나 속도 측정의 정밀도가 향상됐다는 사실을 입증했다. 김 단장은 "도쿄대 연구팀이 달성한 성과는 측정 오차를 약 3분의 1로 줄였다"며 "센서의 민감도를 3배 향상시킨 셈"이라고 설명했다.

연구 결과는 향후 극도로 민감한 센서가 필요한 고급레이저간섭계중력파관측소(라이고, LIGO)를 포함해 가속도계나 자기장 센서 등에 응용될 것으로 기대된다. 김 단장은 "물론 실용적으로 쓰이려면 많은 후속 연구가 필요하다"고 덧붙였다.

이번 연구 결과는 양자역학이 미시세계에서만 적용되는 이론이 아니라 거시세계에서도 유효하다는 것을 실험적으로 증명해 과학적 의미가 크다. 연구팀이 구축한 시스템은 양자역학과 고전역학 경계의 본질이나 중력, 양자역학의 관계 등 기초물리학의 근본적 문제를 탐구하는 새로운 실험 플랫폼을 제공할 수 있다.

아이카와 교수는 구현한 나노입자 시스템이 "양자역학과 고전역학 사이의 전환 과정을 탐구하고 미래에 새로운 형태의 양자 장치를 개발하기 위한 기반이 될 것"이라고 기대했다.

https://m.dongascience.com/news.php?idx=74091

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