양자 잡음 감소의 획기적인 발전

스완지 대학의 연구자들은 거울을 사용하여 작은 입자를 방해하는 양자 잡음을 극적으로 줄이는 방법을 발견했습니다. 이는 마법처럼 들릴지 모르지만 양자 물리학에 뿌리를 둔 획기적인 발견입니다.

과학자들이 나노입자와 같은 극히 작은 물체를 측정할 때, 그들은 어려운 문제에 직면하게 됩니다. 단순히 이러한 입자를 관찰하는 것만으로도 입자가 교란을 받는다는 것입니다.

이는 측정에 사용되는 광자, 즉 빛의 입자가 부딪히는 작은 입자를 '튀겨내는' 효과, 즉 '역작용'으로 인해 발생합니다.

Physical Review Research 에 게재된 새로운 연구에 따르면, 대학 물리학과의 연구팀은 이러한 관계가 양방향으로 작용한다는 놀라운 연관성을 밝혀냈습니다.

이 연구의 주저자인 스완지 대학교 박사과정생 라팔 가제프스키는 "측정이 불가능해지는 조건을 만들면 교란도 사라진다는 것을 저희의 연구를 통해 알 수 있었습니다."라고 말했습니다.

"입자를 중심에 둔 반구형 거울을 사용하여 특정 조건에서 입자가 거울상과 동일해지는 것을 발견했습니다. 이렇게 되면 산란된 빛에서 위치 정보를 추출할 수 없게 되고, 동시에 양자 역작용도 사라집니다."

이 획기적인 기술은 다음을 포함한 다양한 흥미로운 응용 분야에 잠재력을 제공합니다.

• 원자보다 훨씬 큰 물체로 양자 상태 생성
• 전례 없는 규모에서 기본 양자 물리학 테스트
• 양자역학과 중력의 경계를 탐구하는 실험 수행
• 미세한 힘도 감지하는 초고감도 센서 개발

이러한 연구 결과는 이전보다 더 큰 물체를 이용해 양자 물리학을 시험하는 것을 목표로 하는 우주 임무인 MAQRO(거시적 양자 공진기)와 같은 야심찬 프로젝트에 특히 가치가 있을 수 있습니다.

연구를 감독한 제임스 베이트먼 박사는 이렇게 말했습니다. "이 연구는 양자역학에서 정보와 교란 사이의 관계에 대한 근본적인 사실을 밝혀냈습니다. 특히 놀라운 점은 빛의 산란이 최대화될 때 바로 역작용이 사라진다는 것입니다. 이는 직관과는 정반대입니다."

"양자 물체 주변 환경을 엔지니어링함으로써, 우리는 그 물체에 대해 어떤 정보를 얻을 수 있는지, 그리고 그 물체가 경험하는 양자 잡음을 제어할 수 있습니다. 이는 양자 실험과 잠재적으로 더욱 민감한 측정에 새로운 가능성을 열어줍니다."

이 팀은 실험적 시연을 진행하고 있으며, 차세대 양자 센서로 이어질 수 있는 실용적 응용 분야를 탐색하고 있습니다.

이 연구는 진공 상태에서 작은 입자를 부유시키고 제어하기 위해 레이저를 사용하는 '부상 광역학'이라는 성장하는 분야의 일부입니다. 최근 실험에서는 이미 입자를 가능한 가장 낮은 에너지 수준인 양자 기저 상태까지 냉각시켰습니다. 이는 과학자들이 이러한 시스템을 얼마나 제어할 수 있는지를 보여주는 사례입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250430142257.htm