100년 전 제시된 양자역학의 기본 원리, 실험적으로 증명했다 : 과학향기 Story : KISTI의 과학향기

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<KISTI의 과학향기> 제3675호 2021년 08월 23일

국내 연구팀이 100년 전 이론적으로 제시된 양자역학의 기본 원리를 실험적으로 증명했다.

기초과학연구원(IBS)은 분자 분광학 및 동력학 연구단 조민행 연구단장·윤태현 연구위원 연구팀이 양자 물체의 정량적 상보성을 실험적으로 검증했다고 19일 밝혔다.

덴마크의 물리학자 닐스 보어는 1928년 물질이 입자와 파동의 특성을 동시에 갖는다는 ‘상보성’의 원리를 제시했다.

이는 고전 역학을 넘어선 현대 물리학의 새로운 이론인 양자역학의 기본 틀이 됐지만, 정량적으로 측정할 기술이 없어 정성적 관계로만 이해돼 왔다.

상보성 원리와 파동-입자의 이중성을 정량적으로 검증하기 위해서는 파동성과 입자성을 각각 측정할 수 있는 양자역학적 복합시스템이 필요하다.

양자 입자를 만들어내는 장치, 양자 입자 위치나 경로의 탐지 장치, 중첩 상태의 양자 입자가 만들어내는 간섭 현상 측정 장치 등 여러 시스템이 이론적으로 제안되고 일부는 실험도 됐지만, 완벽하게 검증할 수 있는 장치는 없었다.

연구팀은 기존 측정 시스템과 달리 실험적으로 양자 물체의 얽힘 정도를 조절할 수 있는 ‘얽힌 비선형 광자쌍 광원'(ENBS)을 개발했다.

실험을 통해 양자 물체의 입자성과 파동성의 상호 연관은 물론 둘 사이 정량적 관계가 존재함을 증명했다.

연구 결과, ‘양자 입자의 파동성과 입자성은 서로 배타적이어서 하나의 성질만 하나의 측정 장치로 알 수 있다’는 기존 이론과 달리 얽힘 정도를 조절해 배타적 성질을 하나의 장치로 측정 가능하다는 것을 확인했다.

윤태현 연구위원은 “상보성의 원리가 처음으로 제시된 이후 100년 만에 파동과 입자 간 상보성의 정량적 관계를 측정해냈다는 점에서 학술적 의미가 크다”며 “양자역학적 난제를 푸는 데 실마리가 될 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스'(Science Advances) 이날 자 온라인판에 실렸다.