기초과학연구센터(IBS)에서 파동과 입자의 이중성을 실험적으로 확인했다 (2021.08.18 EurekAlert)

"물질이 가지고 있는 파동과 입자의 이중성을 정량적으로 분석하는데 성공했다"

21세기는 의심할여지없이 양자역학의 시대였다.
양자역학은 20세기 초에 탄생해서 양자정보, 양자통신, 양자영상학 등의 전례없는 기술이 양자역학을 기반으로 발전했다.
(SEM과 같이 수 나노미터의 구조를 살필 수 있는 현미경은 양자역학 기술을 이용해야만 가능하다)
그러나 양자역학에서는 여전히 파동과 입자의 이중성(물질은 입자성질과 파동의 성질을 동시에 가지고 있다), 상보성(파동의 성질을 관측하면 입자의 특성이 사라진다), 파동함수의 중첩, 파동함수 붕괴 등 풀리지 않은 문제들이 존재한다.
(양자역학을 배울때 교수님께서는 이런 문제들에 대해서 그냥 받아들이라고 하셨다. 양자역학은 물질을 파동으로 보는 하나의 시각을 제공하는거지 물질파를 실제로 관측을 해야하는 문제는 아닌 것이다)

양자역학의 근본원리인 입자와 파동의 이중성과 상보성의 원리를 실험으로 보이기 위해선 양자적인 요소를 실험할 수 있는 parametor 들이 필요하다.
(모든 실험은 parametor 를 변화시켜 얻은 특성을 측정한다. 예를 들어 물을 끓이는 실험을 한다고 하자. 온도라는 parametor를 변화시켜 물의 상변화를 관측할 때 우리는 물의 상태변화에 대한 실험이라 한다.)
양자역학을 연구한 과학자, 보어가 상보성의 원리를 1928년 발표한 이후 양자역학적 특성을 보이는 여러 아이디어들이 있었다.
하지만 이중슬릿 실험과 같은 아주 일부의 아이디어만 구현되었다.
그래서 아직까지는 상보성의 원리나 파동과 입자의 이중성은 아직 실험적으로 완전히 입증되지 않았다고 할 수 있다.

한국의 IBS(기초과학연구센터)에서 양자역학의 파동과 입자의 이중성과 상보성의 원리를 실험적으로 확인했다.

IBS 연구팀은 2개의 경로를 지닌 간섭계를 구성했다.
이 양자 간섭계는 퀀톤이라 하는 2개의 결이 맞는(서로 간섭을 일으키는, coherent) 신호 포톤을 만들어낸다.
이 퀀톤들은 두개의 서로 다른 경로로 이동한다.
(대부분의 간섭계는 같은 빛을 두개의 경로로 이동시킨 다음 다시 합쳐서 간섭무늬를 확인한다. 이때 하나의 빛은 아무런 변화를 격지 않은 빛이고 다른 빛은 더 많은 경로를 이동하거나, 다른 매질을 통과함으로 변화를 겪게 된다. 그 다음 다시 합쳐져 그간 한쪽이 겪은 변화로 인해 간섭무늬를 만들어낸다.)

기사만으로는 이해가 잘 되지 않아서 논문을 살펴보았다.
Seed laser는 | a > 의 파동함수를 만들어내고
Pump Laser는 | p > 의 conjugate idler photon 을 만들어내는데 결이 맞는 느림보 포톤이라고 한다.
이 둘은 PPLN이라는 crystal에서 만나서 서로 얽히게 되는데 (entangled) 이를 통해 | p >가 경로정보를 추출하는데 사용되어 상보성의 원리를 정량적으로 보일 수 있게 된다.
( | p >의 경로를 조정하여 정량적으로 | p >를 조정할 수 있기 때문에 상보성의 원리를 정량적으로 확인할 수 있게 됩니다)
PD laser는 single-photon detector로 하나의 포톤을 검출하는데 사용된다.
PPLN에서 포톤의 에너지와 모멘텀의 상호변환은 Pump, Seed, idler field의 값을 통해 계산된 값과 일치한다.

이 실험을 통해 연구진은 파동과 물질의 이중성을 보였으며 상보성의 원리를 정량적으로 밝혀냈다.
P^2 + V^2 = μ_s^2 (P는 예측가능성 즉 파동으로서의 존재정도, V는 보이는 정도 즉 물질로서의 존재정도, μ_s는 source purity)
μ_s에 대해서는 μ_s = √(1-E^2) 의 관계를 만족한다는 것도 입증했다. (E는 Entanglement로 얽힘정도를 의미)

리처드 파인만은 양자역학의 비밀을 푸는 열쇠가 이중슬릿 실험을 이해하는 것에 있다고 했다.
위 실험의 간섭실험에 기초한 해석은 상호보완성의 원리와 파동과 입자의 이중성을 정량적으로 이해하는데 근본적인 영향을 미칠 것이라 예상된다.

이 연구는 Science Advances에 발표되었다.

물리 교과서에 나오는 물질의 이중성에 대한 실험결과들로 우리는 물질이 물질파로서도 존재한다는 것을 알 수 있다.
전자총을 이용한 이중슬릿 실험을 보면, 분명 입자인 전자를 하나씩 쏘았는데 이중슬릿 너머엔 파동과 같은 간섭무늬가 관측이 된다.

그림 출처 : 위키피디아

기존의 실험들도 물질이 입자와 파동의 이중성을 가지는 것과 입자와 파동 중 한쪽의 성질만을 관측할 수 있다는 것을 보여준다.
하지만 얼마만큼 입자이고 얼마만큼 파동인지 수치적으로 나타낸 실험은 없었던거 같다.
(물론 양자광학쪽으로 공부를 하고 최신논문을 공부해온것은 아니지만...)
정량적으로 이중성을 밝혀내고 실험적으로 증명을 했다는 점에서 대단한 연구결과이다.
게다가 국내연구그룹에서 이런 연구결과가 나왔다는점에서 너무 자랑스럽다.

기사출처 : https://www.eurekalert.org/news-releases/925513
논문 : https://advances.sciencemag.org/content/7/34/eabi9268

Quantitative complementarity of wave-particle duality

DOI : 10.1126/sciadv.abi9268