ICT/융합

중국과기대, 새로운 양자 불확정성 등식 관계 실험적 검증

발행일 : 2019 / 06 / 16

최근, 중국과기대 마이크로자기공명중점실험실 두장펑(杜江峰)/펑신화(彭新華) 연구팀은 상하이교통대학 마즈하오(麻志浩) 연구팀 등과 공동으로 최초로 새로운 양자 불확정성 등식 관계를 실험적으로 검증했다. 해당 연구성과는 “Uncertainty equality with quantum memory and its experimental verification”라는 제목으로 “npj Quantum Information”에 게재됐다.

불확정성 관계는 양자물리의 주요한 특성이며 양자역학에서 주요한 지위 및 광범위한 응용 전망을 보유하고 있다. 예를 들면 불확정성 관계에 대한 관련 연구를 통하여 중력파 간섭계에 요구되는 저잡음 기술을 발전시킬 수 있기에 양자 정밀 측정, 양자통신 등 양자정보 처리 분야에서 핵심 역할을 일으킬 수 있다. 1927년 하이젠베르크(Heisenberg)는 미시적 세계에서 1개 입자(예를 들면 원자핵 주위 전자)의 일부분 물리량에 대한 정밀 측정에 한계가 있기에 1개 입자의 위치 및 운동량을 동시에 정밀하게 측정할 수 없다는 불확정성 관계를 최초로 제안했다. 1983년, University of Oxford 교수 David Deutsch(양자컴퓨터 창시자 중 한 명)가 특수 상황에서 엔트로피 형식의 불확정성 관계를 제안한 후 Kraus가 일반 상황에서의 가설을 제안했으며 그 후 Maassen와 Uffink가 일반 상황에서 엔트로피 형식의 불확정성 관계를 입증했다. 2010년, 스위스 과학자 Renner 프로젝트팀은 폰 노이만(Von Neumann) 조건 엔트로피를 이용하여 양자얽힘 보조 상황에서 이량체 양자상태 엔트로피 형식의 불확정성 관계를 제안한 후 2011년, 2개 프로젝트팀은 독립적으로 실험을 수행하여 해당 결과를 검증했다.

닐스 보어(NielsHenrik David Bohr)가 1927년에 제안한 상보성 원리는 코펜하겐 해석(Complimentarity principle)의 기반으로써 임의적 1쌍의 비호환성 관측량은 불확정성 관계이기에 그 중의 1개 관측량의 불확정성이 작을수록 다른 1개 관측량의 불확적성은 더욱 큼을 의미한다. 1999년, University of Vienna 교수 Zeilinger와 Brukner는 선형 엔트로피를 이용하여 비편향 측정 조건에서 양자 측정으로 획득한 정보량을 정량적으로 분석했다. 결과, 모든 비편향 측정 조건에서 획득한 정보량은 양자 상태의 선형 엔트로피에 의하여 결정됨을 발견했다. 그러나 해당 연구는 단량체 양자 상태 관련 결과로서 양자얽힘이 미치는 영향을 고려하지 않았다.

최근, 상하이교통대학 수학과학학원 마즈하오는 난징(南京)대학 우성쥔(吳盛俊), 저장(浙江)공업대학 천즈화(陳芝花), 서우두(首都)사범대학 페이사오밍(費少明) 등과 공동으로 양자얽힘 보조 조건에서 비편향 측정을 만족하는 불확정성 관계를 제안했다. 해당 이론에 의하면 만약 양자얽힘을 고려할 경우 비편향 측정 조건에서의 불확정도 합은 초기 양자 상태 조건에서의 선형 엔트로피와 맞먹는다. 해당 결과는 양자암호키분배 등 양자통신에 응용됐다. 그 후 두장펑(杜江峰)/펑신화(彭新華) 연구팀은 교묘하게 실험을 설계함으로써 완전한 양자상태 토모그래피를 요구하지 않는 조건에서 선형 엔트로피에서 규정한 불확정도의 직접 측정을 달성했으며 양자얽힘을 포함한 이량체 시스템의 불확정성 관계 등식을 검증했다. 동 실험에서 이용한 실험 수단 및 데이터 처리 방법은 기타 물리 시스템에도 양호한 적용성 및 확장성을 보유하고 있다. 실험 결과는 이론적 예측에 비교적 일치함으로써 최초로 양자얽힘 보조를 지닌 불확정성 등식 관계의 실험적 검증을 달성했다.

불확정성 관계는 양자물리 시스템에 대한 측정 결과의 근본적 제한으로서 양자얽힘(메모리)을 지닌 새로운 양자 불확정성 관계이며 양자물리의 본질을 심층적으로 규명하는데 중요한 과학적 의미가 있다. 이외에 불확정 관계 등식은 기존의 일반적인 불확정성 관계 부등식에 비하여 더욱 정밀하기에 양자통신, 양자 정밀 측정 등 양자정보기술의 응용에서 중요한 장점을 보유하고 있다.