Mystic Spiral's :: '최초로 완전히 관찰된 광자의 일생' from KISTI GTB

최초로 단일 광자의 탄생과 일생, 그리고 소멸을 실시간으로 “관찰했다”.

프랑스 파리에 위치한 고등사범대(Ecole Normale Superieure)의 서지 하로쉬(Serge Haroche)와 동료들이 평균수명 0.13초 동안 광자를 추적하는데 성공했다. 이 정도의 시간은 광자가 달까지의 거리의 10분의 1을 갈 정도로 긴 시간이다. 이 실험은 단일 광자에 대한 “양자비파괴(QND : quantum non-demolition)” 측정을 가장 잘 실현한 것이며, 이로 인해 광자는 파괴되지 않고 그 존재가 측정되었다. 연구자들은 이 기술이 양자역학에 대한 세련된 증명일 뿐 아니라, 양자정보시스템에도 이용될 수 있을 것으로 생각한다[참고문헌1].

이처럼 광자를 관찰하려면, 우선 광자를 오래 포획하는 것이 필요하며, 광자를 파괴하지 않는 투명한 계수기도 필요하다. 일반적인 광검출기는 광자의 에너지를 전기신호로 변환함으로써 검출하는데, 이러한 과정에서 광자는 파괴된다. 양자 측정에서 발생하는 또 하나의 문제는 만일 하나의 변수(예를 들면 위치)가 정확하게 측정된다면, 양립할 수 없는 또 다른 변수(예를 들면 운동량)에서 발생하는 필연적인 불확정성으로 인해, 그 변수를 다시 측정할 때에는 다른 결과가 생길 것이라는 점이다. 광자는 그 세기(광자 수)와 위상이 이러한 불확정성 원리로 이어져 있다. 이 문제를 피하기 위해 1970년대 부터 소개되기 시작한 양자비파괴 측정이라는 개념의 주된 이슈는 측정에 수반되는 교란, 즉 반작용이 원치 않는 관측대상에만 완전히 유지되도록 하고 측정 물리량은 오염되지 않도록 함으로써 높은 정밀도의 반복 측정이 가능하도록 하는 것이다. 즉 광자에 대한 이상적인 QND 측정에서는 광자와 측정자 간에 에너지 교환이 없어야 한다.

이번 프랑스 연구팀의 놀랄만한 업적의 중심에는 작은 상자처럼 생긴 공동이 있었다. 이 공동은 초반사성의 초전도 거울이 벽으로 둘러싸고 있으며, 절대영도(-273.15°C)보다 겨우 0.5°도 높은 온도까지 냉각되었다. 공동 내에서는 양자 입자들의 생멸을 일으키는 미세한 에너지 변동으로 인해 광자들이 무작위로 나타났다 사라진다. 그러나 일단 광자가 나타나면, 그 광자는 포획되어 소멸하기 전까지 거울벽 사이에서 수십억 번을 튄다.

연구진은 광자를 관찰하기 위해 공동을 가로질러 루비듐 원자들을 한 번에 하나씩 통과시켰다. 이 원자들은 이른바 리드베리 원자(Rydberg atoms)들로서, 전자들이 아주 높은 상태로 여기되어 있기 때문에 전기장과 같은 외부 교란에 매우 민감하다. 하나의 루비듐 원자는 단일 광자를 흡수할 수 없는데, 그것은 이 광자가 루비듐 원자를 다른 에너지 상태로 끌어올리기 위한 올바른 에너지 꾸러미가 아니기 때문이다. 그러나 원자들은 광자 전기장과의 비공진 상호작용으로 인해 공동에서 나올 때 에너지 수준이 약간 변화되는데, 연구팀은 이것을 이용하여 임의의 광자들이 포획되었는지를 판단했다.

“이 실험은 광자의 에너지를 소비하여 수행된 것이 아니다. 따라서 만일 하나의 광자가 검출된다면, 그 광자는 이후의 계속되는 루비듐 원자들에 대해서도 여전히 존재한다. 이 때문에 우리는 그 광자를 추적할 수 있는 것이다. 전형적인 신호는 동일한 에너지 수준을 갖는 원자들의 연속으로 나타나는데, 이것은 공동이 비어있음을 의미한다. 갑자기 다른 에너지 수준을 갖는 원자들이 나오는 것은 광자의 탄생을 표시하는 신호다. 그 뒤 반대 방향으로 급변하는 신호는 그 광자의 소멸을 나타낸다”고 하로쉬는 말한다.

연구팀은 1999년에도 비슷한 실험으로 단일 광자에 대한 최초의 양자비파괴 측정을 실시한 적이 있다. 그러나 당시에는 공동으로 들어간 원자가 광자를 흡수한 후 공동을 벗어나기 전에 결맞게 재방출하는 공진 기법을 사용했으며, 광자를 약 1밀리초까지만 저장할 수 있었다[참고문헌2].

“이제껏 어느 누구도 광자를 재차 본 적이 없기 때문에, 이 결과는 대단히 중요한 근본적인 성과다. 이 성과는 또한 급격히 발전하고 있는 양자계산 분야에 대해서도 중요한 의미를 지닌다”고 독일 울름대(University of Ulm)의 퍼디난드 슈미트-칼러(Ferdinand Schmidt-Kaler)는 말한다. 양자계산에서는 서로 다른 에너지 상태들 간에 정보의 양자비트, 즉 큐비트를 옮김으로써 계산 속도를 굉장히 높인다. 이 결과는 포획된 광자의 큐비트 상태로 원자 큐비트의 흐름을 완전히 제어할 수 있음을 증명하는 것이며, 그러한 작동은 양자컴퓨터에서 기본적인 것이므로 주목할 만한 성과라고 슈미트-칼러는 말한다.

* 그림1 : 얇은 니오븀 층이 구리로 만든 초전도 거울을 덮고 있다. 이 거울들은 1/10초까지 마이크로파 광자들을 저장할 수 있다.