Understanding of Nonclassical Nature of Photon Correlation

April 30, 2020

□ 이번 연구는 약 100년 전 양자역학 태동기에 있었던 보어, 쉬뢰딩거 등을 중심으로 한 일명 코펜하겐 해석을 재점화하는 기폭제가 될 것인데, 기존 양자역학의 주류이론인 빛의 비고전화-예를 들면 단일광자 이중슬릿 실험이나 양자얽힘-에 있어 빛은 알갱이 즉 특정 위상정보를 갖지 않는 입자로써 이해되어 왔는데, 함병승 교수는 빛의 파동성(위상정보)이 빛의 비고전성(양자성)을 결정짓는 핵심원리가 됨을 입증하여, 미시세계에 대한 이해를 넘어 양자역학을 거시세계로 확장할 수 있는 단초를 제시하였다. 

□ 코펜하겐 해석이란, 1920년대 중반 보어, 쉬뢰딩거 등 당대 양자역학의 창시자들을 중심으로 한 자연에 대한 물리학적 해석에 관한 것인데, 기존의 인과론에 충실했던 뉴턴역학에 반하여, 직접 보기 전까지는 그 상태를 알 수 없다는 확률론적 해석에 관한 것으로써 양자중첩이 그 핵심 원리이다.

□ 양자얽힘은 양자중첩에 기반한 대표적 양자성(혹은 비고전성) 현상인데, 이에 의하면 국지적 물리법칙의 한계 밖에서, 예를 들면 아주 멀리 떨어진 두 개의 입자가 특정 위상, 편광, 파장 등에 있어 긴밀히 연결되어 있는 광자쌍을 말하는 것으로써, 기존 상식으로는 이해하기 어려운 개념이고, 이를 증명하는 대표적 방법이 광자쌍에 대한 빛가르개 상에서의 반상관성(anticorrelation)이다.

□ 함병승 교수는 빛의 반상관성이란 단순히 태양빛과 같은 불특정 입자쌍으로 구성된 광자쌍에서는 나타날 수 없는 현상으로써 그 광자쌍이 특정 위상관계를 가질 때에야만 비로소 발현될 수 있음을 이론적으로 증명하여, 빛의 양자성은 빛의 파동성에 그 핵심원리가 있음을 제시하였다.

□ 따라서, 전형적인 빛의 양자성을 입증하는 도구인 빛가르개는 포토닉스 양자컴퓨팅에 있어 핵심도구가 되어 왔는데, 이를 고전적 마하젠더 간섭계로 치환할 수 있음을 입증하였고, 따라서 빛이 단일광자이든 결맞은 레이저 빛이든 양자성을 달성하는데 차이가 없으므로, 마하젠더 간섭계는 빛의 거시양자성(쉬뢰딩거 고양이)을 구현할 수 있는 핵심도구가 된다 (arXiv:2001.06913v4).

□ 결론적으로, 빛의 파동성은 레이저나 광통신 등 거시적 현상을 대표하는 고전역학에 다름아니고, 따라서 거시상태에서도 빛의 양자성이 가능하게 됨을 예언하게 되는 것이며, 이는 향후 양자적 효과를 갖는 고전통신, 컴퓨팅, 센싱 등에 있어 기존 양자역학의 지평을 넓히는데 기여하게 되는데, 이미 후속연구로써 현재 광통신과 호환가능한 무조건적으로 안전한 고전암호통신 방법과 현재 양자기술로 불가능한 고차 양자상태를 양자 빛 구현에 관한 이론논문도 곧 출판될 예정이다.

 

Published in Scientific Reports 10, 7309 (April 30, 2020)

https://https://www.nature.com/articles/s41598-020-64441-2

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