양자중첩은 양자역학에 의해 밝혀진 자연의 가장 근본적인 성질 중 하나로 하나의 물리계가 서로 다른 두 상태에 동시에 존재하는 효과를 보이는 현상이다. 그림은 위상공간에서 표현된 양자 중첩상태의 예. 거시적 양자 중첩의 특징인 높은 진동수의 간섭 패턴이 나타난다.
양자란 어떤 물리량을 그 이상 더 나눌 수 없는 최소 단위를 말하는데, 양자 중첩은 한 물체가 떨어진 두 장소에 동시에 존재하는 효과를 보이는 현상으로 원자나 전자로 이루어진 아주 작은 '미시적 세계'에서 관측된다.
이런 기묘한 현상이 우리가 일상에서 경험하는 '거시적 세계'에서도 일어날 수 있는가에 대한 해답을 찾기 위해 전 세계 물리학자들은 보다 큰 물리계를 양자 중첩상태로 만들고자 노력해왔고, 이 상태를 '거시적 양자 중첩상태'라고 부른다.
그러나 실험으로 구현된 거시적 양자 중첩상태를 수치로 정량화하는 것은 매우 어려운 문제로, 이는 양자 중첩의 물리적 '크기'와 '정도'를 동시에 측정하는 것이 쉽지 않기 때문이다.
일부 해외 연구팀에서 양자 중첩의 정량화 척도를 고안하기 위해 다양한 시도를 했지만, 특정 형태의 중첩 상태에만 적용할 수 있는 등의 한계를 보였다.
이에 따라 양자 중첩의 물리적 '크기'와 '정도'를 동시에 측정하는 것뿐만 아니라, 양자 중첩을 수치로 정량화하는 일반적인 척도를 만드는 것은 난제로 여겨져 왔다.
양자역학적 위상공간은 양자역학의 불확정성 원리가 적용되는 추상적인 공간으로, 이 위상공간에서 거시적 양자 중첩상태는 미시적 중첩상태에 비해 더 높은 진동수의 간섭 패턴을 보인다.
정 교수팀은 이 점에 착안해 위상공간에서 나타나는 간섭패턴의 진동수와 진폭을 계산해 양자 중첩의 크기를 일반적으로 정량화할 수 있음을 규명했다.
정 교수는 "이번 연구결과로 물리학자들은 양자역학의 중요한 현상인 양자 중첩을 수치로 정량화할 수 있는 일반적이면서도 효율적인 도구를 갖게 되었다"며 "이는 양자역학을 거시적으로 검증하고, 미시세계와 거시세계를 통합적으로 이해하는 틀을 만드는데 중요한 걸음이라고 할 수 있다"고 말했다.
이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 물리학 분야 학술지 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)'지(6월3일자)에 게재됐다. 논문명은 <Quantification of macroscopic quantum superpositions within phase space>.
[저작권자ⓒ 대학저널. 무단전재-재배포 금지]
