전자기장에 의해 마이크로 칩 위에 붙들려 있는 원자 구름 개념도. 공간적으로 분리된 영역 A와 B 사이에서 얽힘 현상이 관찰되었다. 출처 : 스위스 바젤대학 물리학과

아인슈타인이 '말도 안 된다'는 뜻으로 ‘유령 같은 원격작용(spooky action at a distance!)’이라고 소리친 ‘양자 얽힘(quantum entanglement)’ 현상이 광자가 아닌 다원자 덩어리(massive atoms system)에서 처음으로 확인됐다.

이는 질량이 큰 거시세계 물질 간의 양자 얽힘 탐구의 문을 활짝 열었다는 평가를 받는다. 또 양자 컴퓨팅, 양자통신 등 차세대 양자기술의 획기적인 발전에도 기여할 것으로 기대를 모은다.

세계적인 과학학술지 사이언스(Science) 최근호는 이에 관한 논문 세 편(논문1, 논문2, 논문3)을 나란히 실었다. 각각 독일 하노버대학, 스위스 바젤대학, 독일 하이델베르크대학 연구팀의 논문이다.

입자들 간의 얽힘은 특정 상호작용으로 생성된 일종의 고리 같은 것으로 서로의 행동을 본질적으로 연결한다. 이를 통해 우리는 얽힌 입자 중 하나를 측정함으로써 그 파트너 입자에 즉각적으로 영향을 줄 수 있다.

그동안 물리학계는 ‘양자 얽힘’ 현상을 의심하지 않을 정도로 많이 확인했다. 심지어 중국의 연구팀은 양자 얽힘을 이용해 7600㎞에 이르는 장거리 양자통신 실험에도 성공했다. 하지만 이들 실험은 모두 질량이 없는 광자(photon)를 이용했다.

이번에 논문을 실은 세 연구팀은 공간적으로 분리된 ‘극저온 원자 구름(clouds of ultracold atoms) 사이의 얽힘 현상을 독립적으로 확인했다.

이들 실험의 개념은 공교롭게도 비슷하다. 다만, 이들 실험의 세부 사항은 조금씩 다른데, 사용된 원자의 개수가 약 590개에서 1만1000개로 차이가 난다.

연구팀은 모두 질량이 제로(0)인 광자 대신 비교적 무거운 원소인 루비듐(원자번호 37, 원자량 85.48)을 사용했다. 그리고 연구팀은 모두 루비듐 원자를 절대온도 0도에 가까게 냉각해 ‘보즈-아인슈타인 응축(Bose-Einstein condensate, BEC)’ 상태로 만드는 것으로 다원자의 얽힘 실험을 시작했다.

BEC 상태는 일종의 냉각된 원자 구름으로, 모든 원자들은 동일한 성질을 갖는 입자들처럼 행동하고, 따라서 동일한 양자 상태를 갖는다.

연구팀은 보즈-아인슈타인 응축 상태를 만든 다음 입자 사이의 상호작용을 유도하여 각 원자의 스핀 상태를 얽히게 만든다.

그 다음, 원자를 가둔 트랩을 느슨하게 이완하면 원자 구름이 퍼져나가고, 결국 두 개의 작은 구름(A, B)으로 나뉘어진다. 이렇게 원자 구름이 분리되면 얽힘이 보존될까 아니면 깨질까?

이를 확인하기 위해 연구팀은 고주파를 사용하여 입자를 조작함으로써 각 구름에서 입자의 특정 스핀 상태를 관측했다. 얽힘이 보존된다면, 구름 A 안의 입자의 스핀 상태는 구름 B 안의 입자의 스핀 상태와 높은 관련성을 보여야 한다. 이는 한 쪽의 스핀 상태를 관찰하면 다른 쪽의 스핀 상태가 즉각 결정되고, 그 반대의 경우도 마찬가지이기 때문이다.

연구팀은 정확하게 이 현상을 발견했다. 얽힘은 얽힌 시스템의 한 부분에 대한 측정이 다른 부분을 특정 상태로 '조종(steer)' 하는 데 사용될 수 있는 ‘양자 조향(quantum steering)’을 허용한다. 이는 이번 세 연구팀의 실험 중 두 실험에서 입증되었다.

양자 얽힘 현상이 광자만의 특성이 아니라 질량을 가진 물질에도 성립한다면 그야말로 ‘우주는 공간적으로 얽혀 있다’고 말할 수 있게 된다. 이런 점에서 이번 연구는 얽힘을 비롯한 양자 얽힘 연구의 신기원이란 평가를 받을 만하다.

또 이번 연구는 ‘광자 얽힘’보다 더 많은 입자들의 얽힘을 이용함으로써 머지 않아 양자 컴퓨팅과 양자 통신 그리고 초정밀 측정의 과학인 계측학(metrology) 분야에 응용될 전망이다.

# 기사 출처

Science : DOI : 10.1126 / science.aao1850 Spatial entanglement patterns and Einstein-Podolsky-Rosen steering in Bose-Einstein condensates DOI : 10.1126 / science.aao2254 Spatially distributed multipartite entanglement enables EPR steering of atomic clouds DOI : 10.1126 / science.aao2035 Entanglement between two spatially separated atomic modes

Phys.org : Einstein-Podolsky-Rosen paradox observed in many-particle system for the first time