| 중국과기대, 열역학적 진화 과정에서 반작용이 미치는 영향 감소 | ||
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 최근, 중국과기대 궈광찬(郭光燦) 소속 리촨펑(李傳鋒)/샹궈융(項國勇) 연구팀은 독일 막스플랑크연구소(Max Planck Institute) MartíPerarnau-Llobet 연구팀과 공동으로 광자 시스템에서 최초로 집합 측정(collective measurement)을 이용하여 열역학의 양자 투영 측정 반작용(back action)을 감소시킬 수 있음을 실험적으로 보여주었다. 해당 연구성과는 "Science Advances"에 온라인으로 게재되었다. 열역학 분야에서 1개 물리 시스템의 진화과정에서 에너지 변화를 탐색하기 위해 진화 전후 물리시스템의 에너지를 각각 측정한 다음 2차 측정결과를 이용하여 에너지 변화를 계산하는데 이것이 바로 전통적인 열역학적 2차 투영 에너지 측정(two projective energy measurement) 방법이다. 그러나 해당 방법은 양자 열역학 시스템에서의 1개 에너지 변화 분석에는 적합하지 않다. 양자 투영 측정은 1개 시스템의 양자중첩성을 완전히 파괴시키기에 측정하여 얻은 에너지 변화에는 양자 시스템의 양자중첩 정보가 포함되지 않는다. 이러한 측정으로 인한 시스템 진화에 미치는 영향으로서 에너지 변화를 정확하게 예측할 수 없으며 해당 현상을 열역학에서 반작용력이라고 부른다. 해당 연구의 이론 협력자 MartíPerarnau-Llobet는 2017년에 발표한 이론연구[Phys. Rev. Lett.118, 070601 (2017)]에서 양자 열역학의 기본 변화 이론(fluctuation theorems)을 위반하지 않는 조건에서 반작용이 미치는 영향을 완전히 제거할 수 있는 측정 방안을 설계할 수는 없지만 집합 측정 방식을 통하여 반작용을 감소시킬 수 있다고 제안하였다. 만약 2개의 동일한 복제 양자상태 조건에서 해당 상태에 대한 특정된 광의적 양자 측정을 수행하면 양자상태의 부분 초기 중첩성 정보를 추출할 수 있다. 다시 말해서 집합 측정을 통하여 투영 측정으로 인한 반작용을 감소시킬 수 있다. 연구팀은 실험 과정에서 양자측정의 반작용을 감소시키기 위해 선형 광학시스템의 집합 측정에 적합한 측정 방안을 설계하여 1개 양자 열역학 과정을 효과적으로 시뮬레이션하였다. 해당 시스템은 광자의 다자유도 특성을 이용하여 2개 양자상태를 단일 광자의 편광 및 경로 상태에 코딩함과 아울러 편광 및 경로에 대한 집합 측정을 통하여 초기 양자상태의 중첩 정보를 추출하였고 초기 간섭성을 보유하고 있는 양자상태가 특정된 진화 조건에서의 거동을 예측하였으며 해당 진화 과정에서 에너지의 구체적 전환 방식을 예측하였다. 연구팀은 또한 대조 실험을 통하여 고전 열역학의 2차 투영 측정 방법을 시뮬레이션하여 에너지 전환 방식을 예측하였다. 실험 결과, 다양한 양자상태 또는 다양한 진화과정에서 전통적 방법으로 얻은 열역학 과정 예측 결과는 시스템 자체의 진화 거동과 아주 큰 차이가 있지만 집합 측정을 이용하여 얻은 결과는 실제 진화 과정에 더욱 접근한다. 해당 연구는 집합 측정 및 양자 열역학 연구에 중요한 의미가 있다. 해당 연구 논문의 제1 저자는 중국과학원 양자정보실험실 박사연구생 우캉다(吳康達)이고 교신저자는 샹궈융(項國勇)과 MartíPerarnau-Llobet이다. 정보출처 : https://mp.weixin.qq.com/s/PtAKAJupLzfl4KJuc1mHdQ |
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