과학자들은 처음으로 근본적인 양자 법칙을 증명했습니다.

물리학자들은 단 하나의 광자조차도 분리될 때 각운동량 보존 법칙을 따른다는 것을 확인했습니다. 이는 양자 실험 분야에서 최초로 시도된 것이며, 강력한 새로운 양자 기술의 길을 열었습니다. 출처: AI/ScienceDaily.com

탐페레 대학교 연구진과 독일 및 인도의 공동 연구진은 단일 광자가 쌍으로 변환될 때 각운동량이 보존된다는 것을 실험적으로 확인했습니다. 이는 양자 수준에서 물리학의 핵심 원리를 최초로 입증한 것입니다. 이 획기적인 발견은 컴퓨팅, 통신, 감지 분야에 유용한 복잡한 양자 상태를 생성할 수 있는 새로운 가능성을 열어줍니다.

보존 법칙은 어떤 과정이 허용되거나 금지되는지를 결정하기 때문에 자연과학적 이해의 핵심입니다. 간단한 예로 당구공 충돌을 들 수 있는데, 이 경우 운동과 함께 선운동량이 한 공에서 다른 공으로 전달됩니다. 각운동량을 갖는 회전하는 물체에도 유사한 보존 법칙이 존재합니다. 흥미롭게도 빛도 각운동량을 가질 수 있는데, 예를 들어 궤도각운동량(OAM)은 빛의 공간 구조와 관련이 있습니다.

양자 영역에서 이는 광자라고 불리는 단일 빛 입자가 명확하게 정의된 궤도 운동량(OAM) 양자를 가지고 있으며, 이 양자는 빛-물질 상호작용에서 보존되어야 함을 의미합니다. 최근 Physical Review Letters 에 게재된 연구에서 탐페레 대학교 연구진과 공동 연구진은 이러한 보존 법칙의 검증을 절대 양자 한계까지 확장했습니다. 그들은 단일 광자가 광자 쌍으로 분리될 때 궤도 운동량(OAM) 양자 보존 법칙이 성립하는지 탐구했습니다.

1에서 1을 빼면 0이 된다

보존 법칙은 예를 들어, OAM이 0인 광자가 두 개의 광자로 분리될 때 두 광자의 OAM 양자의 합은 0이 되어야 한다고 명시합니다. 따라서 새로 생성된 광자 중 하나가 OAM 양자를 하나 가지고 있다면, 그 짝 광자는 반대의 OAM 양자, 즉 음의 OAM 양자를 가져야 합니다. 다시 말해, 1 + (-1) = 0이라는 간단한 공식이 성립해야 합니다. 이러한 보존 법칙은 레이저를 이용한 수많은 광학 실험에서 검증되고 활용되었지만, 단일 광자에 대해서는 검증된 적이 없습니다.

"저희 실험은 단일 광자에 의해 구동되는 경우에도 OAM이 실제로 보존됨을 보여줍니다. 이는 가장 기본적인 수준에서 핵심 보존 법칙을 확인시켜 주는데, 이는 궁극적으로 과정의 대칭성에 기반합니다."라고 이 연구의 주저자인 리 코프 박사는 설명합니다.

실험실 건초더미에서 광자 바늘을 찾다

필요한 비선형 광학 과정이 매우 비효율적이기 때문에 이 팀의 실험은 정밀한 측정에 의존합니다. 10억 번째 광자만 광자 쌍으로 변환되므로, 단일 광자에 대한 궤도 각 운동량(OAM) 보존을 측정하는 것은 마치 건초더미에서 바늘을 찾는 것과 같습니다.

매우 안정적인 광학적 설정, 낮은 배경 노이즈, 가능한 가장 높은 효율의 검출 방식, 그리고 많은 실험적 지속성 덕분에 연구자들은 충분한 성공적인 변환을 기록하여 기본 보존 법칙을 확인할 수 있었습니다.

연구팀은 OAM 보존을 확인했을 뿐만 아니라 생성된 광자 쌍에서 양자 얽힘의 첫 징후를 관찰했는데, 이는 이 기술을 확장하여 더 복잡한 광자 양자 상태를 생성할 수 있음을 시사합니다.

실험이 수행된 실험 양자 광학 그룹을 이끄는 로버트 픽클러 교수는 "이 연구는 근본적으로 중요할 뿐만 아니라 광자가 공간, 시간, 편광 등 모든 가능한 방식으로 얽힌 새로운 양자 상태를 생성하는 데 크게 한 걸음 더 다가가는 계기가 되었습니다."라고 덧붙였습니다.

앞으로 연구진은 이 계획의 전반적인 효율성을 개선하고 생성된 양자 상태를 측정하는 더 나은 전략을 개발하여, 향후 실험실 건초더미에서 이러한 광자 바늘을 더 쉽게 찾을 수 있도록 할 계획입니다. 또한, 생성된 다중 광자 양자 상태를 새로운 기본 양자 시험 및 양자 통신 및 네트워크 계획과 같은 양자 광자 응용 분야에 활용하는 것을 목표로 합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250816113515.htm