양자 얽힘은 얼마나 빠른가요?

양자 이론은 극히 짧은 시간 척도에서 일어나는 사건을 설명합니다. 과거에는 이러한 사건이 '순간적' 또는 '즉각적'으로 간주되었습니다. 전자가 원자핵을 공전합니다. 다음 순간에 빛의 번쩍임에 의해 갑자기 찢어집니다. 두 입자가 충돌합니다. 다음 순간에 갑자기 '양자 얽힘'이 발생합니다.

그러나 오늘날에는 그러한 거의 '즉각적인' 효과의 시간적 발전을 조사할 수 있습니다. 중국의 연구팀과 함께 TU Wien(비엔나)은 초고속 프로세스를 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있는 컴퓨터 시뮬레이션을 개발했습니다. 이를 통해 아토초 단위의 시간 척도에서 양자 얽힘이 어떻게 발생하는지 알아낼 수 있습니다. 결과는 현재 'Physical Review Letters' 저널에 게재되었습니다.

두 개의 입자 -- 하나의 양자 객체

두 입자가 양자 얽힘 상태라면, 두 입자를 따로 설명하는 것은 의미가 없습니다. 이 두 입자 시스템의 상태를 완벽하게 알고 있다 하더라도, 단일 입자의 상태에 대한 명확한 진술을 할 수 없습니다. "입자가 개별적인 속성이 없고, 공통적인 속성만 있다고 말할 수 있습니다. 수학적 관점에서 볼 때, 두 입자가 완전히 다른 두 장소에 있더라도, 그들은 확실히 함께 속합니다." TU Wien의 이론 물리학 연구소의 요아힘 부르크되르퍼 교수가 설명합니다.

얽힌 양자 입자를 이용한 실험에서 과학자들은 보통 가능한 한 오랫동안 이 양자 얽힘을 유지하는 데 관심이 있습니다. 예를 들어, 양자 암호화나 양자 컴퓨터에 양자 얽힘을 사용하고 싶을 때 말입니다. "반면에 우리는 다른 것에 관심이 있습니다. 이 얽힘이 처음에 어떻게 발전하는지, 그리고 어떤 물리적 효과가 극히 짧은 시간 척도에서 역할을 하는지 알아내는 것입니다." 현재 출판물의 저자 중 한 명인 Iva Březinová 교수가 말했습니다.

전자 하나는 멀리 날아가고, 다른 하나는 원자와 함께 남습니다.

연구자들은 극도로 강렬하고 고주파 레이저 펄스에 맞은 원자를 살펴보았습니다. 전자가 원자에서 찢어져 날아갑니다. 방사선이 충분히 강하면 원자의 두 번째 전자도 영향을 받을 수 있습니다. 더 높은 에너지 상태로 전환된 다음 다른 경로에서 원자핵을 공전할 수 있습니다.

따라서 레이저 펄스 후, 전자 하나가 날아가고 하나는 알려지지 않은 에너지로 원자와 함께 남습니다. "우리는 이 두 전자가 이제 양자 얽힘 상태임을 보여줄 수 있습니다."라고 요아힘 부르크도르퍼는 말합니다. "이들을 함께 분석할 수만 있습니다. 그리고 전자 중 하나에 대한 측정을 수행하고 동시에 다른 전자에 대한 정보를 얻을 수 있습니다."

전자 자체는 언제 '탄생'했는지 모른다

연구팀은 이제 두 개의 다른 레이저 빔을 결합하는 적절한 측정 프로토콜을 사용하여 전자가 날아가는 '탄생 시간', 즉 원자를 떠난 순간이 뒤에 남은 전자의 상태와 관련이 있는 상황을 달성할 수 있음을 보여줄 수 있었습니다. 이 두 가지 속성은 양자 얽힘입니다.

"이것은 날아가는 전자의 탄생 시간을 원칙적으로 알 수 없다는 것을 의미합니다. 전자 자체가 원자를 떠난 시점을 모른다고 할 수 있습니다." 요아힘 부르크되르퍼가 말합니다. "그것은 다른 상태의 양자-물리적 중첩 상태에 있습니다. 그것은 더 이른 시점과 더 늦은 시점 모두에서 원자를 떠났습니다."

어느 시점이 '진짜'였는지는 답할 수 없습니다. 이 질문에 대한 '실제' 답은 양자 물리학에 존재하지 않습니다. 하지만 답은 원자와 함께 남아 있는 전자의 -- 또한 ​​불확정한 -- 상태와 양자 물리학적으로 연결되어 있습니다. 남아 있는 전자가 더 높은 에너지 상태에 있다면 날아간 전자는 더 이른 시점에 찢겨졌을 가능성이 더 큽니다. 남아 있는 전자가 더 낮은 에너지 상태에 있다면 날아간 자유 전자의 '탄생 시간'은 더 늦었을 가능성이 큽니다. 평균적으로 약 232아토초입니다.

이것은 거의 상상할 수 없을 만큼 짧은 시간입니다. 아토초는 10억분의 10억분의 1초입니다. "그러나 이러한 차이는 계산할 수 있을 뿐만 아니라 실험에서도 측정할 수 있습니다."라고 요아힘 부르크도르퍼는 말합니다. "우리는 이미 그러한 초고속 얽힘을 증명하고자 하는 연구팀과 협상 중입니다."

'즉각적인' 사건의 시간적 구조

이 연구는 양자 효과를 '즉각적'이라고 간주하는 것만으로는 충분하지 않다는 것을 보여줍니다. 중요한 상관관계는 이러한 효과의 초단 시간 척도를 해결할 때만 눈에 띄게 됩니다. "전자는 그냥 원자에서 튀어나오지 않습니다. 말하자면 원자에서 흘러나오는 파동입니다. 그리고 여기에는 어느 정도 시간이 걸립니다." Iva Březinová가 말합니다. "바로 이 단계에서 얽힘이 발생하고, 그 효과는 나중에 두 전자를 관찰하여 정확하게 측정할 수 있습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241022153838.htm