불확정성 원리를 통해 양자의 파동-입자 이중성을 설명하다 [Science Daily] Nature News



놀랍고 근사한 사실이 하나 있다. 양자물리학은 우리가 생각했던 것 보다 덜 복잡하다는 것이다. 다국적 연구진이 서로 다른 것이라 여겨졌던 두 개의 양자역학적 특징이 사실 같은 것이 다르게 보인 것 뿐임을 증명하였다. 이 결과는 Nature Communications의 12월 19일 판에 개제되었다.

파동-입자 이중성을 불확정성 원리로 풀이하다 (출처: Science Daily)

Patrick Coles와 Jedrzej Kaniewski, 그리고 Stephanie Wehner가 the National University of Singapore의 the Centre for Quantum Technologies에 있었을 때 이 연구를 함께 수행하였다. 이들은 파동-입자의 이중성이 단순히 불확정성 원리의 다른 모습이라 말한다. 이로 인해 두 개의 신비한 현상이 하나가 되었다.

"불확정성과 파동-입자 이중성 간의 연관성은 특정 계로부터 얻을 수 있는 정보가 무엇인가를 묻는 과정에서 자연스럽게 나타납니다. 우리의 연구결과는 정보의 관점에서 물리학적 현상들을 다루는 것이 중요함을 보여준다 하겠습니다." 지금은 네덜란드 the Delft University of Technology의 QuTech에서 조교수로 일하고 있는 Wehner의 말이다.

이 발견은 양자물리학에 대한 이해를 깊게 해줄 것이며 파동-양자 이중성의 새로운 응용을 가능케 해 줄 것이다.

파동-입자 이중성은 양자가 파동처럼 행동할 수 있으나 양자의 위치를 결정하고자 하면 그 파동성이 사라진다는 개념이다. 이는 이중슬릿 실험에서 쉽게 나타난다. 두 개의 좁은 틈(슬릿)을 가진 막에 전자를 하나 하나 쏜다고 해보자. 고전역학적 물체처럼 두 개의 더미가 만들어지는 대신, 막 뒤에 파동의 간섭에 의해 나타날 것으로 예측되는 줄무늬 패턴이 나타난다. 이러한 현상은 입자가 어느 틈을 통해 나아갔는지를 확인하기 전까지 지속된다. 이 '확인'에 의해 간섭 패턴은 사라진다.

양자의 불확정성 원리는 양자 입자의 짝을 이루는 성질들을 한 번에 모두 파악하는 것이 불가능하다고 말한다. 예를들면 움직이고 있는 한 원자의 위치를 정확하게 알면 알수록 파악할 수 있는 속도에 대한 정보는 부정확해지기 마련이다. 이는 측정 기술의 부족이 아닌 자연의 근본적인 인식가능성의 한계에서 오는 것이다. 새로운 연구결과는 특정 양자계에 대한 파동과 입자에 대한 정보가 이와같은 방식으로 서로의 정확성을 제한함을 보여주었다.

파동-입자 이중성과 불확정성은 1900년대 초부터 양자물리학의 근본적인 개념으로 자리잡아 왔다. "우리는 작감에 이끌려, 오로지 직감으로, 이들 간에 연관성이 있을거라 짐작했습니다." Coles의 말이다. 그는 현재 캐나다의 the Institute for Quantum Computing in Waterloo에서 박사 후 연구과정에 있다.

불확정성 원리에 영향을 받는, 짝을 이루는 성질들 각각에 대해 얼마나 정확히 알 수 있는지를 수식으로 표현하는 것이 가능하다. Coles, Kaniewski, Wehner, 이 세 사람들은 entropic uncertainty relations라 불리는 이러한 형태의 수식에 대한 전문가들이다. 그들은 파동-입자 이중성을 이러한 관계성들을 표현하는 용어로 재서술하기 위해 필요한 모든 수학적 도구들을 이전 연구를 통해 개발하였다.

"이는 서로 다른 두 언어를 연결해 준 '로제타 스톤'의 발견과 유사하다 하겠습니다. 파동-입자 이중성은 상형문자로 된 문헌이라 하겠고요, 우리는 이것을 우리의 모국어로 번역한 샘입니다." Coles의 말이다.

연구자들은 entropic uncertainty relations이 양자 암호를 이용한 보안체계 개발에 쓰이고 있는 만큼 그들의 연구결과가 새로운 양자 암호 프로토콜의 개발을 촉발할 수 있을 것이라고 말한다.

Wehner와 그의 동료들은 이전 연구에서 불확정성 원리와 다른 물리학과의 관계를 밝힌 바 있다. 즉 양자의 비국소성과 열역학 제 2법칙 간의 관계를 밝힌 것이다. 연구자들의 다음 목표는 이 조각들이 어떻게 서로 들어맞을 것이며 자연이 어떻게 구성되어있는지를 보여줄 큰 그림을 그리는 것이다.



덧글

  • 채널 2nd™ 2014/12/26 23:52 # 답글

    양자 세계에서 하나를 보면 다른 하나는 볼 수 없다는 것이 아주 오래전부터 알려져 있었던 것으로 알고 있는데 "수식"이 나왔다니 신기합니다.

    글 중의 '출처'를 읽어 보고 싶습니다만 ........ ㅎㅎ 내공이 많이 달리는군요..ㅠㅠ ;;;

  • Recluse 2014/12/30 02:30 # 답글

    기초의학 전공이신 줄 알았는데 이런 분야에도 관심이 있으시다니 의외네요. 혹시 학부시절에는 물리 계열이셨나요? 저는 고교시절에는 의사보다 수학에 관심이 있었습니다만.
  • hyunyi 2015/01/11 08:16 #

    전공은 분자생물학이고요, 물리학에 대한 지식은 딱 뉴턴 내지 과학동아 수준입니다... ^^; 교양서적의 한계를 넘어가고 싶어 호시탐탐 월담을 노리고 있는데 수학의 장벽이 만만치 않아 계속 좌절 중이죠.ㅎㅎ;
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