양자 영역에서 시간 역전
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2023-02-13 14:28:48
3'20" 읽기
- 범용 되감기 프로토콜은 단일 광자의 시간적 진화를 역전
오버레이는 국부 "되감기"를 허용한다.
그러나 양자 물리학에서는 다른 규칙이 적용된다. 가장 작은 입자의 세계에서는 확률이 지배하기 때문에 중첩 현상에서는 서로 다른 상태가 동시에 존재할 수 있다. 이는 슈뢰딩거의 고양이에 대한 유명한 사고 실험에서처럼 죽은 동시에 살아있는 것이다. 이 이중성은 시간에도 적용된다. 시간의 화살 방향도 겹치기 때문이다. 따라서 이론적으로 양자 시스템에서 시간을 역전시키는 것이 가능해야 한다. 이는 특수 거울을 사용하여 광파의 위상을 역전시킬 수 있는 방법과 유사하다.
사실, 열역학 법칙에 대한 이러한 국지적 위반이 가능하다는 일부 증거가 이미 있다. 물리학자들은 예를 들어 점점 더 "모호한" 위치에서 국지적이고 알려진 초기 상태로 돌아가는 큐비트를 통해 이를 관찰했다. 이러한 반전은 이러한 프로토콜에서 극히 드물고 무작위로 발생하며 이 "되감기"는 정상적인 정방향 실행 프로세스보다 3배 더 오래 걸린다.
범용 되감기 프로토콜
비엔나 대학의 Peter Schiansky 주변의 물리학자들은 거의 모든 확률로 발생할 수 있으므로 준 결정론적인 양자 물리적 되감기 프로토콜을 개발했다. "이 프로토콜의 경우 양자 시스템과의 상호 작용 특성을 알 필요조차 없다는 것이 놀랍다"고 Schiansky는 말했다.
이것의 장점:
양자 물리학의 핵심 원리 중 하나는 시스템이 관찰만으로 변화한다는 것이다. 이것은 원칙적으로도 시간이 지남에 따라 시스템의 변화를 추적하고 프로세스를 가역적으로 만드는 것을 불가능하게 만든다. 따라가기만 하면 조건이 돌이킬 수 없게 바뀌기 때문이다. 그러나 이것은 새로 개발된 범용 되감기 프로토콜과 다르다. 양자 시스템에서 해당 프로세스와 초기 및 최종 상태를 자세히 알지 않고도 적용할 수 있다.
높은 수율의 광자 시간 역전
물리학자들은 실험에서 이것이 어떻게 작동하는지 보여주었다. 이를 위해 그들은 개별 광자가 거울과 빔 스플리터를 사용하여 다른 경로로 향하고 경로에 따라 다르게 편광되는 광자 플랫폼을 사용했다. 팀은 이것을 시간이 지남에 따라 입자의 변화를 유발하는 "알 수 없지만 반복 가능한 섭동"이라고 설명한다. Schiansky와 그의 팀은 “원칙적으로 이러한 섭동은 모든 물리적 상호 작용을 통해 달성될 수 있으므로 모든 양자 시스템에서 달성될 수 있다.
광자를 원래 상태로 되돌리기 위해 물리학자들은 광학 루프에서 생성된 조작된 광자와 그 상태의 간섭계 중첩으로 이어지는 특수 양자 스위치를 사용한다. 궁극적으로 이 구조는 광자의 발달을 되감는 것을 허용한다. 연구원들은 "이 광자 플랫폼을 통해 평균 95% 이상의 되감기 비율을 달성했다"고 보고했다.
폭넓은 실용
이를 통해 Schiansky와 그의 팀은 보편적인 되감기 프로토콜을 개발했으며 이러한 형태의 시간 역전이 양자 시스템에서 실현 가능함을 실험적으로 입증했다. "우리의 실험적 양자 프로토콜은 결과 상태의 신뢰성 측면에서 최적의 고전적 전략을 훨씬 능가한다"고 팀은 말한다. "따라서 우리의 프로토콜은 양자 시간 역전을 실질적인 관련성 체제로 가져온다.”
물리학자들에 따르면 이러한 프로토콜은 광범위한 적용 가능성 때문에 미래에 양자 정보 기술에서 유용한 도구가 될 수 있다. "우리의 포토닉 구현은 정교한 플랫폼을 기반으로 특히 간단하고 강력한 접근 방식을 제공한다"고 그들은 설명했다. 동시에 이 원리는 다른 양자 입자뿐만 아니라 광자에도 적용된다.
(Optica, 2023; doi: 10.1364/OPTICA.469109)
출처: Universität Wien
- 범용 되감기 프로토콜은 단일 광자의 시간적 진화를 역전
양자 영역의 시간 역전
범용 되감기 프로토콜은 단일 광자의 시간적 진화를 역전시킨다.
시간 역전:
물리학자들은 양자 프로세스를 시간에 따라 "되감기"할 수 있는 프로토콜을 개발하고 실험적으로 구현했다. 원칙적으로 국부적으로 제한된 시간 역전이 발생한다. 이는 거시적 세계에서는 불가능한 과정이다. 이전 접근 방식과 달리 새로운 "되감기" 프로토콜도 보편적으로 적용 가능하며 매우 높은 확률로 이러한 반전을 가능하게 한다. 따라서 실질적으로 광범위하게 적용할 수 있다.
일상생활과 고전 물리학에서 시간은 일방통행로다. 앞으로만 달릴 수 있다. 시간과 엔트로피는 밀접하게 연결되어 있고 증가하는 열역학적 "무질서"는 외부 영향 없이 되돌릴 수 없기 때문이다. 떨어진 잔은 다시 붙지 않고 민들레는 민들레 꽃으로 돌아가지 않는다.
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| ▲ 거시적 세계에서는 시간 반전이 불가능하다. 민들레는 더 이상 민들레 꽃이 되지 않는다. © Christine Schiansky @freowynart |
오버레이는 국부 "되감기"를 허용한다.
그러나 양자 물리학에서는 다른 규칙이 적용된다. 가장 작은 입자의 세계에서는 확률이 지배하기 때문에 중첩 현상에서는 서로 다른 상태가 동시에 존재할 수 있다. 이는 슈뢰딩거의 고양이에 대한 유명한 사고 실험에서처럼 죽은 동시에 살아있는 것이다. 이 이중성은 시간에도 적용된다. 시간의 화살 방향도 겹치기 때문이다. 따라서 이론적으로 양자 시스템에서 시간을 역전시키는 것이 가능해야 한다. 이는 특수 거울을 사용하여 광파의 위상을 역전시킬 수 있는 방법과 유사하다.
사실, 열역학 법칙에 대한 이러한 국지적 위반이 가능하다는 일부 증거가 이미 있다. 물리학자들은 예를 들어 점점 더 "모호한" 위치에서 국지적이고 알려진 초기 상태로 돌아가는 큐비트를 통해 이를 관찰했다. 이러한 반전은 이러한 프로토콜에서 극히 드물고 무작위로 발생하며 이 "되감기"는 정상적인 정방향 실행 프로세스보다 3배 더 오래 걸린다.
범용 되감기 프로토콜
비엔나 대학의 Peter Schiansky 주변의 물리학자들은 거의 모든 확률로 발생할 수 있으므로 준 결정론적인 양자 물리적 되감기 프로토콜을 개발했다. "이 프로토콜의 경우 양자 시스템과의 상호 작용 특성을 알 필요조차 없다는 것이 놀랍다"고 Schiansky는 말했다.
이것의 장점:
양자 물리학의 핵심 원리 중 하나는 시스템이 관찰만으로 변화한다는 것이다. 이것은 원칙적으로도 시간이 지남에 따라 시스템의 변화를 추적하고 프로세스를 가역적으로 만드는 것을 불가능하게 만든다. 따라가기만 하면 조건이 돌이킬 수 없게 바뀌기 때문이다. 그러나 이것은 새로 개발된 범용 되감기 프로토콜과 다르다. 양자 시스템에서 해당 프로세스와 초기 및 최종 상태를 자세히 알지 않고도 적용할 수 있다.
높은 수율의 광자 시간 역전
물리학자들은 실험에서 이것이 어떻게 작동하는지 보여주었다. 이를 위해 그들은 개별 광자가 거울과 빔 스플리터를 사용하여 다른 경로로 향하고 경로에 따라 다르게 편광되는 광자 플랫폼을 사용했다. 팀은 이것을 시간이 지남에 따라 입자의 변화를 유발하는 "알 수 없지만 반복 가능한 섭동"이라고 설명한다. Schiansky와 그의 팀은 “원칙적으로 이러한 섭동은 모든 물리적 상호 작용을 통해 달성될 수 있으므로 모든 양자 시스템에서 달성될 수 있다.
광자를 원래 상태로 되돌리기 위해 물리학자들은 광학 루프에서 생성된 조작된 광자와 그 상태의 간섭계 중첩으로 이어지는 특수 양자 스위치를 사용한다. 궁극적으로 이 구조는 광자의 발달을 되감는 것을 허용한다. 연구원들은 "이 광자 플랫폼을 통해 평균 95% 이상의 되감기 비율을 달성했다"고 보고했다.
폭넓은 실용
이를 통해 Schiansky와 그의 팀은 보편적인 되감기 프로토콜을 개발했으며 이러한 형태의 시간 역전이 양자 시스템에서 실현 가능함을 실험적으로 입증했다. "우리의 실험적 양자 프로토콜은 결과 상태의 신뢰성 측면에서 최적의 고전적 전략을 훨씬 능가한다"고 팀은 말한다. "따라서 우리의 프로토콜은 양자 시간 역전을 실질적인 관련성 체제로 가져온다.”
물리학자들에 따르면 이러한 프로토콜은 광범위한 적용 가능성 때문에 미래에 양자 정보 기술에서 유용한 도구가 될 수 있다. "우리의 포토닉 구현은 정교한 플랫폼을 기반으로 특히 간단하고 강력한 접근 방식을 제공한다"고 그들은 설명했다. 동시에 이 원리는 다른 양자 입자뿐만 아니라 광자에도 적용된다.
(Optica, 2023; doi: 10.1364/OPTICA.469109)
출처: Universität Wien
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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