원칙적으로 모든 질량의 물체에 적용할 수 있는 대형 물체의 양자 특성을 테스트하기 위한 프로토콜이 영국과 인도의 연구자에 의해 제안되었습니다. 프로토콜의 주요 특징은 양자 역학이 대규모로 유효한지 여부를 테스트하기 위해 거시적 양자 상태를 생성할 필요성을 우회한다는 것입니다. 그러나 일부 물리학자들은 이 연구가 상당한 진전을 이루었다고 확신하지 않습니다.

양자 역학은 원자, 분자, 전자와 같은 아원자 입자를 설명하는 환상적인 작업을 수행합니다. 그러나 더 큰 물체는 일반적으로 얽힘 및 중첩과 같은 양자 동작을 표시하지 않습니다. 이는 섬세한 양자 상태가 시끄러운 환경과 상호 작용할 때 발생하는 양자 결맞음의 관점에서 설명될 수 있습니다. 이로 인해 거시적 시스템이 고전 물리학에 따라 동작하게 됩니다.

양자역학이 거시적 규모에서 어떻게 분해되는지는 이론적으로 흥미로울 뿐만 아니라 양자역학과 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 조화시키는 이론을 개발하려는 시도에도 중요합니다. 따라서 물리학자들은 점점 더 큰 물체의 양자 거동을 관찰하는 데 열중하고 있습니다.

만만찮은 도전

거시적인 양자 상태를 생성하고 양자 거동을 관찰할 수 있을 만큼 오랫동안 보존하는 것은 트랩에 갇힌 원자나 분자보다 훨씬 큰 물체를 다룰 때 엄청난 과제입니다. 실제로 미국과 핀란드의 두 독립 그룹에 의한 진동 거시적 드럼헤드(각각 10미크론 크기)의 양자 얽힘이 다음으로 선택되었습니다. 물리 세계 2021년의 돌파구 팀의 실험적 능력을 위해.

새로운 프로토콜은 Leggett-Garg 부등식에서 영감을 받았습니다. 이는 벨의 부등식을 수정한 것으로, 두 물체가 상태 측정 간의 상관 관계를 통해 양자역학적으로 얽혀 있는지 여부를 평가합니다. 벨의 부등식을 위반하면 측정값의 상관관계가 매우 높아서 상태가 독립적이라면 정보는 물체 사이에서 빛보다 빠르게 이동해야 합니다. 초광속 통신은 불가능하다고 생각되기 때문에 위반은 양자 얽힘의 증거로 해석됩니다.

Leggett-Garg 부등식은 동일한 물체의 순차적 측정에 동일한 원리를 적용합니다. 물체의 속성은 먼저 고전적(비양자) 물체인 경우 비침습적인 방식으로 측정됩니다. 나중에 또 다른 측정이 이루어집니다. 객체가 고전적 엔터티인 경우 첫 번째 측정은 두 번째 측정의 결과를 변경하지 않습니다. 그러나 양자 파동함수로 정의된 물체라면 측정 행위 자체가 물체를 방해할 것입니다. 결과적으로 연속적인 측정 간의 상관 관계를 통해 물체가 고전 역학을 따르는지 또는 양자 역학을 따르는지 여부를 밝힐 수 있습니다.

진동하는 나노결정

2018년에는 이론물리학자 보스 소가토 University College London의 동료들은 광학 조화 트랩에서 앞뒤로 진동하는 냉각된 나노결정에 대해 이러한 테스트를 수행할 것을 제안했습니다. 나노결정의 위치는 트랩의 한쪽 면에 빛의 광선을 집중시킴으로써 결정됩니다. 빛이 산란되지 않고 통과하면 물체는 트랩의 반대편에 있는 것입니다. 나중에 트랩의 같은 쪽을 관찰하면 Leggett-Garg 부등식을 위반하는지 여부를 계산할 수 있습니다. 만약 그렇다면, 물체의 초기 비검출은 양자 상태를 교란했을 것이고, 따라서 나노결정은 양자 거동을 나타낼 것입니다.

문제는 트랩의 같은 쪽에서 질량을 두 번 측정해야 한다는 것입니다. 이는 양자 상태가 측정 전반에 걸쳐 일관성을 유지해야 하기 때문에 진동 주기가 짧은 질량에 대해서만 실행 가능합니다. 그러나 많은 관심을 가진 사람들은 이것이 작동하기에는 너무 긴 기간을 가질 것입니다. 이제 Bose와 동료들은 물체가 고전 역학을 따른다면 도달할 것으로 예상되는 위치에서 두 번째 측정을 수행할 것을 제안합니다.

Bose는 “정상적인 진동으로 인해 이동하게 될 곳으로 가서 그 위치와 얼마나 다른지 알아내는 것이 훨씬 더 좋습니다.”라고 말합니다.

이 방식의 장점은 물체가 일관성 있는 상태로 유지되는 한 고전 고조파 발진기의 예상 위치를 계산하는 것이 항상 가능하므로 모든 질량의 물체에 대한 실험을 수행하는 것이 가능하다는 것입니다. 더 큰 물체를 분리하는 것이 더 어려워지지만 Bose는 이러한 명백히 고전적인 상태가 중첩과 같은 이국적인 거시적 양자 상태보다 노이즈에 더 강할 것이라고 믿습니다.

추적 시스템 진화

양자 물리학자 블라 트코 베달 옥스퍼드 대학교의 연구진은 이번 연구진의 접근 방식이 공간적으로 분리된 거시적 양자 상태를 사용하려는 실험에 비해 이점을 제공할 수 있다는 데 동의합니다. 그러나 그는 "이러한 측정에서 중요한 것은 초기 상태가 아니라 수행하는 측정 순서"이며, 첫 번째 측정 후 상관 관계가 드러나도록 시스템의 진화를 추적하는 것은 "아닙니다"라고 말했습니다. 전혀 사소한 문제입니다.”

그는 또한 대중독립 주장에 대해서도 회의적이다. "실제로 이것이 얼마나 쉬운지는 모르겠습니다. 하지만 이는 단순히 크기와 관련이 있을 뿐입니다. 왜냐하면 하위 시스템이 많을수록 환경에 더 많은 누출이 발생하기 때문입니다."

토니 레게트 (1980년대 Anupam Garg와 부등식을 공동 개발한)는 초전도성과 초유체에 대한 연구로 2003년 노벨상을 공동 수상한 양자 역학의 기초 전문가입니다. 현재 일리노이 대학의 명예 교수인 그는 Bose와 동료들의 연구에서 또 다른 문제를 발견했습니다. "이 연구자들은 양자 역학이 계속해서 작동할 것이라고 확신하고 있습니다. 저는 그렇게 확신하지 않습니다."라고 그는 말합니다.

그러나 Leggett는 양자역학의 붕괴에 대한 증거가 물리학계의 대부분에 의해 침습적 측정으로 인해 발생할 수 있는 결맞음의 결과로 해석될 것이라고 지적합니다. 그는 자신이 참여한 알려진 상태에 대한 실험과 달리 Bose와 동료들은 예를 들어 다른 상태 세트에서 동일한 측정 프로토콜을 사용하여 측정이 얼마나 침해적인지 테스트하는 수단을 제시하지 않는다고 말합니다.

연구는 에서 출판 승인된 논문에 설명되어 있습니다. 피지컬 리뷰 레터스 (Physical Review Letters). A 사전 인쇄는 다음에서 가능합니다. arXiv.

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• 출처: https://physicsworld.com/a/protocol-could-make-it-easier-to-test-the-quantum-nature-of-large-objects/