노벨 물리학상이 2년 연속으로 EU의 후원을 받는 두 명의 과학자에게 돌아갔다. 이번에는 얽힌 양자 상태를 이용한 획기적인 실험이다.
유럽연구위원회(ERC) 수혜자인 Alain Aspect와 Anton Zeilinger가 2022년 노벨 물리학상을 수상했다. 그들은 "벨 부등식의 위배를 보여준 '얽힌 광자 실험'과 '양자 정보 과학의 선구자' 역할을 한 공로"에 대해 세 번째 수상자인 John Clauser와 동등하게 상을 공유하게 된다.
양자 얽힘에 대한 세 물리학자의 독립적인 연구는 양자 정보를 기반으로 한 새로운 기술의 길을 열었다. 양자 역학에서 두 개 이상의 입자는 얽힌 상태로 존재할 수 있다. 여기서 입자 중 하나에 일어나는 일이 얼마나 멀리 떨어져 있는지에 관계없이 다른 입자에 일어나는 일을 결정한다. 양자 얽힘으로 알려진 이 현상은 처음에는 불가능한 것으로 간주되었으며 과학자들은 측정 결과에 영향을 미치는 작업에 "숨겨진 변수"가 있다고 믿었다. 그리고 1964년 존 벨이라는 물리학자는 숨겨진 변수가 실제로 존재하지 않는다는 것을 보여주기 위해 수학적 부등식을 개발했다.
1970년대 초, 미국 물리학자 존 클라우저는 벨의 이론을 적용했다. 그는 얽힌 쌍의 광자가 물리적으로 분리되어 있음에도 함께 작용함을 보여 숨겨진 변수가 양자 얽힘의 효과를 설명할 수 없음을 증명했다. 그러나 클라우저의 실험 후에도 여전히 몇 가지 허점이 있었다.
뚫린 구멍 막기
1981년 Alain Aspect는 Bell의 테스트에서 중요한 허점을 배제하는 실험을 고안했다. 12미터 거리에서 두 개의 광자를 얽히게 함으로써 그는 광자가 숨겨진 변수를 통해 실제로 서로 통신하지 않는다는 것을 보여줄 수 있었다. Aspect 교수는 양자 광학 실험과 단일 원자 검출 및 조작을 위한 기본 도구를 구축한 EU 자금 지원 QUANTATOP(Quantum Atom Optics from Entangled Pairs to Strongly Correlated Systems) 프로젝트를 통해 이 선구적인 작업에 대한 연구 구축에 대한 지원을 받았다.
양자 순간이동 시연
Zeilinger 교수는 얽힌 양자 상태를 확장해서 사용했다. 1997년 그의 연구 그룹은 양자 순간이동(quantum teleportation)이라는 현상을 시연했는데, 얽힘으로 인해 한 입자에서 다른 입자로 양자 상태를 멀리 이동할 수 있다. QIT4QAD(Photonic Quantum Information Technology and Foundations of Quantum Physics in Higher Dimensions) 광양자 정보 기술 및 고차원 양자 물리학 기초프로젝트를 통한 ERC 자금 지원으로 Zeilinger 교수는 양자 정보 과학을 위한 새로운 기술을 개발하고 양자 계산을 위한 새로운 개념을 시연했으며 양자 역학의 기본 실험을 수행했다.
[Mariya Gabirel/연구혁신집행위원] "새로운 노벨상 수상자를 축하한다. 우리는 특히 Anton Zeilinger와 Alain Aspect가 유럽연구위원회(ERC)의 연구비 지원을 받은 것을 기쁘게 생각한다. 어제는 ERC 수혜자 Svante Pääbo가 노벨상을 받았으며, 이로 EU 자금 지원을 받은 3명이 올해 노벨상을 수상하였다. 최고의 연구원들에게 투자하고 그들이 과학적 호기심을 따르도록 하는 것은 가치 있는 일이다."
[Maria Leptin/ERC회장] "Anton Zeilinger와 Alain Aspect는 모두 유럽 연구 위원회(ERC)로부터 프론티어 연구에 대한 지원을 받았다. 이제 노벨상을 수상한 12명의 ERC 수여자가 있다. 가장 똑똑한 사람들이 최고의 아이디어를 탐색할 수 있는 자유를 주는 것이 중요하다."
관련 연구 프로젝트
QUANTATOP: Quantum Atom Optics from Entangled Pairs to Strongly Correlated Systems
- 기간: 2011.8.1.~2016.7.31.
- 예산: 213만 유로 [EU 지원 100%]
- 기획: CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE CNRS(France)
초저온 원자는 Hanbury Brown 및 Twiss 상관 관계, Bell의 얽힘 부등식 테스트, Hong Ou Mandel 효과, 비고전적 빛 상태와 같은 PQO(광양자 공학)에서 발견된 흥미로운 양자 현상에 대한 새로운 조명을 제공하는 전례 없는 가능성을 제공한다. PQO에 대한 단순한 아날로그 이상인 QAO(양원자 공학)을 개발하는 것이 가능해진다. 원자는 상황에 두 가지 새로운 요소를 추가한다. (i) 0에서 거대한 값까지 조정할 수 있는 제어된 상호 작용 (ii) 페르미온과 보존 중에서 선택할 수 있는 가능성. 이 프로젝트의 첫 번째 부분은 이 새로운 관점으로 양자 공학의 몇 가지 이정표를 다시 방문하고 가능한 상호 작용 유도 결맞음 효과와 같은 열린 질문을 해결하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 준안정 헬륨 및 알칼리 원자에 대한 단일 원자 검출기와 원자-원자 상관 관계 측정 기술을 개발하고 원자 상호 작용을 제어하는 유도 원자 레이저를 포함하여 이러한 종에 대한 모든 광학 냉각 기계를 구축할 것이다. 또한 원자 간섭을 기반으로 하는 관성 및 중력 센서에 적용하기 위해 표준 양자 한계 미만의 측정을 고려할 것이다.
이 프로젝트의 두 번째 부분에서는 QAO의 실험 도구와 개념을 사용하여 CMP(Condensed matter Physics)의 근본적인 문제를 해결할 것이다. 1D 수평 유도 원자 레이저를 사용하면 CMP의 전도도 측정과 유사한 무질서한 상태에서 상호 작용하는 Bose 가스의 수송 특성을 연구할 수 있다. Bell 부등식을 테스트하기 위해 개발된 원자-원자 상관 기술을 사용하면 BCS와 같은 쌍을 이루는 원자 상태에서 사소한 대칭성을 조사할 수 있다. 더 큰 초저온 Bose 또는 Fermi 원자 샘플을 사용하여 1D, 2D 및 3D에서 Anderson 국소화에 대한 상호 작용의 영향과 평균 필드 설명을 넘어선 다른 현상(예: 강하게 상호 작용하는 1D 양자 가스의 상관 관계)을 조사한다.
QIT4QAD: Photonic Quantum Information Technology and the Foundations of Quantum Physics in Higher Dimensions
- 기간: 2009.1.1.~2013.12.31.
- 예산: 175만 유로 [EU 지원 100%]
- 기획: UNIVERSITAT WIEN(Austria)
현대 물리학의 가장 중요한 발전 중 하나는 양자 정보 과학의 최근 출현이었다. 양자 정보 과학은 본질적으로 광범위하게 학제적이다. 양자역학의 기초에 대한 연구로 시작되었으며, 양자역학의 기본 개념, 특히 얽힘(entanglement)이 핵심적인 역할을 한다. 우리는 지금 새로운 기술을 개발하고 새로운 근본적인 문제에 적용하는 중요한 질적 단계가 이루어질 수 있는 역사적인 순간에 있다. 이 제안에서 우리는 양자 정보 실험과 양자 역학의 기본 테스트 모두의 새로운 수준에 도달하기 위해 기본 질문에 대한 조사와 마이크로 광학 기술의 개발을 결합하는 것을 목표로 한다. 우리는 새로운 통합 양자 광학 광자 칩을 구축하기 위해 마이크로 광학의 고급 개발을 활용할 것을 제안한다. 고품질 마이크로 광학은 복굴절, 분산, 주기성 및 흡수 특성을 포함한 많은 특성을 정밀하게 제어할 수 있다. 우리는 이것을 새로운 고효율 검출기와 결합할 것이며, 장기적으로는 동일한 마이크로칩에 통합되기를 바란다. 본질적으로 새로운 다중 모드 장치는 Hilbert 공간의 새로운 고차원 영역과 실험에 접근할 수 있는 새로운 유형의 다중 광자 얽힘을 만들 것이다. 이러한 장치는 다른 수의 광자 사이의 양자 상보성과 중요한 수학적 의미를 지닌 힐베르트 공간 차원의 함수로 양자 상보성을 탐구하는 것과 같은 양자 역학의 많은 새로운 기본 조사를 가능하게 할 것이다. 가장 중요한 것은 프로젝트 전반에 걸쳐 많은 새로운 아이디어가 나올 것이라고 확신한다는 것이다. 새로운 통합 양자 광학 칩은 양자 계산, 특히 클러스터 상태 및 유사한 복잡한 양자 상태에서도 중요할 것이다. 이 칩을 통해 우리는 다중 큐비트 절차와 알고리즘을 실현하고 현실적인 시나리오에서 전광학 양자 계산의 실현 가능성을 입증할 것이다.
