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하이젠베르크 한계 정밀도의 일반 채널 파라미터 측정 구현

발행일 : 2019 / 08 / 06

중국과학기술대학 궈광찬(郭光燦) 연구팀은 홍콩중문대학 위안하이둥(袁海東) 연구팀과 공동으로 일반 비가환(noncommutative) 채널 파라미터 측정에서 양자제어를 통해 비가환의 양자채널을 능동 제어함으로써 세계 최초로 하이젠베르크 정밀도의 일반 비가환 채널 파라미터 측정을 구현했다. 해당 성과는 “Physical Review Letters”에 온라인으로 게재되었다.

정밀측정은 과학기술 개발의 주요 원동력이다. 기존 가장 선진적인 재래식 정밀측정기술인 레이저간섭계중력파관측소(LIGO)는 재래식 방법의 정밀도 한계에 도달했을 뿐만 아니라 표준 양자 정밀도 한계[일명 산탄잡음(shot noise) 한계]의 제한을 받고 있다. 차세대 양자정밀측정기술은 재래식 방법의 산탄잡음 한계를 뛰어넘고 하이젠베르크 정밀도 한계에 도달할 수 있다. 현재 해당 양자정밀측정기술은 이미 가장 간단한 가환채널(값이 다른 파라미터 채택시 교환되는 채널) 조건의 광학 위상측정 실험에서 성공적으로 구현되었다. 하지만 물체 방향 측정, 양자 자이로스코프, 퀀텀게이트 토모그래피 등 실제 측정에서 채널 교환 조건은 일반적으로 충분하지 않으며 비가환 채널(값이 다른 파라미터 채택시 교환되지 않는 채널)이 곳곳에 존재한다. 그러나 비가환 채널 양자정밀측정은 가환 채널 측정과 완전히 다른 특성을 보유한다. 예를 들면 양자정밀측정의 직접적 순서측정 방법은 가환채널에서 하이젠베르크 정밀도 한계에 도달할 수 있지만 비가환 채널에서의 정밀도는 심지어 재래식 방법에서의 산탄잡음 정밀도 한계에도 도달하지 못한다.

연구팀은 실험에 양자제어 도입을 통해 비가환 양자채널을 가환 양자채널로 조절함으로써 세계 최초로 일반 비가환 채널 파라미터 측정에서의 하이젠베르크 정밀도 한계 도달을 구현했다. 하지만 해당 최적 제어는 일반적으로 자가적응 갱신을 필요로 한다. 연구팀은 이론적 최적 자가적응 갱신이 필요 없는 특수 시점을 찾아 실험의 확장성을 더한층 높였다. 아울러 광학시스템에서 8차 제어증강된 순서측정을 완수했는데 실험 정밀도는 하이젠베르크 정밀도 한계에 근접했다. 이외 해당 방법의 직관적 물리영상을 획득했고 또한 순서측정에서 매 소스의 유효정보가 어떻게 코히런트 누적(coherent accumulation)되는지를 규명함과 아울러 양자제어가 이러한 유효정보 보강간섭(constructive interference) 누적 과정에서의 역할을 확인했다.

기존의 가환 채널 파라미터 정밀측정과 관련한 측정실험 작업과 비교해 상기 연구는 일반 채널 파라미터 측정을 하이젠베르크 정밀도 한계로 도달시키는 새 경로를 개척했다. 또한 양자제어를 이용한 양자채널 조절을 통해 양자정밀측정의 정밀도를 높이는 새 방향을 제시했다.

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