기초과학

난징대학, 광의 파동-입자 이중성 중첩 제어 구현

발행일 : 2019 / 09 / 05

최근, 난징(南京)대학 물리학원 마샤오쑹(馬小松) 연구팀은 최초로 단일광자 파동성 및 입자성의 비국소성 영역 중첩 제어를 시연했다. 해당 성과는 “Nature” 자매지인 “Nature Photonics”에 게재됐다.

광(Light)이 입자인지 아니면 파동인지에 관한 논쟁은 여러 세기를 경과했다. 20세기 양자물리학 구축 과정에서 광의 파동-입자 이중성 즉 광은 입자인 동시에 파동이며 파동과 입자의 중첩상태임을 발견했다. 따라서 어떠한 제어 수단을 통해 광자가 요구에 따라 오직 입자성 또는 파동성만 나타내게 할 수 없겠는지에 대한 문제가 제안됐다. 물리학자 존 휠러(John Wheeler)가 제안한 지연 선택실험에 의하면 1명의 외부 관측자는 실험장치 중의 1개 광자 소자에 대한 제어를 통해 단일광자가 파동성 또는 입자성을 나타내도록 능동적으로 선택할 수 있으며 더 나아가 광자가 실험장치에 진입한 후 선택하여도 선택은 여전히 효과적이다.

연구팀은 휠러의 지연 선택실험을 기반으로 새로운 비국소성 영역 양자 지연 선택실험을 제안 및 시연했다. 실험 과정에서 연구팀은 다른 1쌍의 얽힘 광자를 제어 유닛으로 함과 아울러 해당 얽힘 광자를 이용하여 파동성 및 입자성 사이에서 전환되는 실험 주체 광자를 제어했다. 엄격한 비국소성 영역 양자 제어를 구현하기 위해 제어 유닛을 실험 주체 유닛과 멀리 떨어져 있게 했다. 다시 말해서 “아이슈타인 비국소성” 조건을 만족시켰다.

“아이슈타인 비국소성” 조건을 구현하기 위해 공간 및 시간상에서 실험기기에 대한 정밀 제어가 필요하다. 연구팀은 광학기기를 캠퍼스 내의 2개 실험실에 배치했으며 광신호 및 전기신호의 시계열에 대하여 정밀하게 설치했다. 동 실험은 광은 파동성 또는 입자성의 양자중첩 상태로 존재할 수 있음을 입증함과 아울러 해당 파동-입자의 양자중첩 상태에 대한 제어 가능성을 입증했다. 이는 양자광학 및 양자정보처리 연구에 새 방법을 제공했다.