몰래 움직이는 시계: 상호작용하는 원자 놀이터에서 아인슈타인의 상대성 이론을 밝혀내다

100년 넘게 물리학자들은 과학에서 가장 심오한 질문 중 하나를 놓고 고심해 왔습니다. 즉, 가장 작은 입자를 지배하는 양자 역학의 규칙이 가장 큰 규모의 우주를 설명하는 일반 상대성 이론의 법칙과 어떻게 맞아떨어지는가 하는 질문입니다.

가장 정밀한 시간 측정 장치 중 하나인 광학 격자 시계는 이 위대한 과제를 해결하는 데 사용되는 강력한 도구가 되고 있습니다. 광학 격자 시계 내에서 원자는 레이저 빔에 의해 형성된 "격자" 퍼텐셜에 갇히고 양자 역학에 의해 지배되는 양자 코히어런스와 상호 작용을 정밀하게 제어하여 조작됩니다.

동시에 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 시간은 더 강한 중력장에서 더 느리게 움직입니다. 중력 적색 편이로 알려진 이 효과는 중력장에서의 위치에 따라 원자의 내부 에너지 레벨이 약간 변하여 광학 격자 시계에서 시간을 정의하는 진동인 "똑딱거림"이 변하게 됩니다.

이러한 초정밀 시계에서 진동 주파수의 미세한 변화를 측정함으로써 연구자들은 양자 시스템에 대한 아인슈타인의 상대성 이론의 영향을 탐구할 수 있습니다. 상대성 효과는 개별 원자에 대해 잘 이해되지만, 원자가 상호 작용하고 얽힐 수 있는 다체 양자 시스템에서의 역할은 여전히 ​​크게 탐구되지 않았습니다.

이 방향으로 한 걸음 더 나아가, JILA 및 NIST 펠로우와 콜로라도 볼더 대학 물리학 교수인 Jun Ye와 Ana Maria Rey가 이끄는 연구자들은 하노버의 라이프니츠 대학, 오스트리아 과학 아카데미, 인스브루크 대학의 과학자들과 협력하여 상대성 이론의 효과(예: 중력 적색 편이)가 광학 원자 시계의 양자 얽힘과 상호 작용에 미치는 영향을 탐구하기 위한 실용적인 프로토콜을 제안했습니다.

그들의 연구는 중력 효과와 양자 상호 작용 간의 상호 작용이 원자 동기화와 입자 간의 양자 얽힘과 같은 예상치 못한 현상으로 이어질 수 있음을 밝혔습니다. 이 연구의 결과는 Physical Review Letters에 게재되었습니다.

"우리의 주요 발견 중 하나는 원자 간의 상호작용이 원자를 함께 고정하는 데 도움이 되어 중력 적색 편이로 인해 독립적으로 똑딱거리는 대신 통합된 시스템으로 작동할 수 있다는 것입니다." JILA 대학원생 출신이며 현재 시카고 대학 박사후 연구원이자 이 논문의 첫 번째 저자인 안준 추 박사는 설명합니다.

"이것은 양자 상호작용과 중력 효과 간의 상호 작용을 직접 보여주기 때문에 정말 멋지죠."

"일반 상대성 이론[GR]과 양자 얽힘의 상호작용은 수년간 물리학자들을 당혹스럽게 했습니다." 레이가 덧붙여 말했습니다.

"도전은 대부분의 탁상 실험에서 GR 보정이 미미하여 감지하기가 극히 어렵다는 사실에 있습니다. 그러나 원자 시계는 이제 전례 없는 정밀도에 도달하여 이러한 애매한 효과를 측정 가능한 범위 내로 가져왔습니다. 이러한 시계는 동시에 많은 원자를 조사하기 때문에 GR과 다체 양자 물리학의 교차점을 탐구할 수 있는 고유한 플랫폼을 제공합니다. 이 연구에서 우리는 원자가 광학 공동 내에서 광자를 교환하여 상호 작용하는 시스템을 조사했습니다. 흥미롭게도 개별 상호 작용만으로는 시계의 똑딱거림에 직접적인 영향을 미칠 수 없지만 적색 편이에 대한 집단적 영향은 역학을 크게 수정하고 원자 간에 얽힘을 생성할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이는 매우 흥미로운 일입니다."

중력 효과 구별하기

이 과제를 탐구하기 위해 팀은 중력 적색 편이가 양자 행동을 어떻게 방해하는지 관찰하기 위한 혁신적인 프로토콜을 고안했습니다. 그들이 집중한 첫 번째 문제는 광학 격자 시계의 중력 효과를 미세한 주파수 변화에 기여하는 다른 노이즈 소스와 고유하게 구별하는 것이었습니다. 그들은 드레싱 프로토콜이라는 기술을 활용했는데, 이는 레이저 광으로 입자의 내부 상태를 조작하는 것을 포함합니다.

드레싱 프로토콜은 양자 광학의 표준 도구이지만, 이것은 중력 효과를 미세 조정하는 데 프로토콜을 사용한 최초의 사례 중 하나입니다.

조정 가능성은 질량-에너지 등가성(아인슈타인의 유명한 방정식 E=mc² 에서 유래)으로 알려진 메커니즘에 기반을 두고 있는데, 이는 입자의 내부 에너지 변화가 미묘하게 질량을 변경할 수 있음을 의미합니다. 이 메커니즘에 따르면, 들뜬 상태의 원자는 기저 상태의 같은 원자보다 약간 더 큰 질량을 갖습니다.

중력 퍼텐셜 에너지의 질량 차이는 중력 적색 편이와 동등합니다. 드레싱 프로토콜은 두 내부 에너지 상태의 중첩 상태를 유지하도록 입자를 제어하여 질량 차이와 중력 적색 편이를 조정하는 유연한 방법을 제공합니다.

입자는 기저 상태나 들뜬 상태에 엄격하게 머무르는 대신, 이 두 수준 사이에서 점유 확률이 지속적으로 변하면서 두 상태를 동시에 차지하도록 조정할 수 있습니다. 이 기술은 내부 상태를 전례 없이 제어하여 연구자들이 중력 효과의 크기를 미세 조정할 수 있게 합니다.

이런 방식으로 연구자들은 시스템 내에서 자기장 기울기와 같은 다른 영향으로부터 실제 중력 적색 편이 효과를 구별할 수 있었습니다.

"해당 입자의 내부 수준의 중첩을 변경하면 중력 효과가 얼마나 크게 나타나는지 변경할 수 있습니다." JILA 대학원생 마야 미클로스가 말합니다.

"이것은 양자 수준에서 질량-에너지 동등성을 조사하는 정말 영리한 방법입니다."

동기화와 얽힘을 보는 것

진정한 중력 효과를 구별하는 방법을 제공한 후, 연구자들은 양자 다체 동역학에서 중력적 표현을 탐구했습니다. 그들은 광학 공동에 원자를 배치하여 생성된 광자 매개 상호 작용을 활용했습니다.

한 원자가 들뜬 상태에 있으면 광자를 공동으로 방출하여 기본 상태로 다시 이완될 수 있습니다. 이 광자는 반드시 시스템에서 빠져나가지 않지만 기본 상태에 있는 다른 원자에 흡수되어 차례로 들뜨게 할 수 있습니다.

광자 매개 상호 작용이라고 알려진 이러한 에너지 교환은 입자가 물리적으로 서로 접촉할 수 없더라도 입자가 상호 작용하도록 하는 데 중요합니다.

이러한 유형의 양자 상호 작용은 공동 내부의 개별 원자에 대한 중력 효과와 경쟁할 수 있습니다. 일반적으로 중력장 내에서 서로 다른 "높이"에 위치한 입자는 중력 적색 편이로 인해 "틱"하는 방식에 약간의 차이가 있습니다. 입자 간의 상호 작용이 없으면 진동 주파수의 약간의 차이로 인해 시간이 지남에 따라 동기화가 해제됩니다.

그러나 광자를 통한 상호 작용이 도입되자 놀라운 일이 일어났습니다. 입자들이 동기화되기 시작했고, 중력에 의해 유도된 진동 주파수의 차이에도 불구하고 똑딱거리는 소리가 효과적으로 "잠겼습니다".

"매혹적이죠." 추는 말한다. "각 입자를 그 자체의 작은 시계라고 생각할 수 있어요. 하지만 입자가 상호작용하면 중력이 타이밍을 떼어놓으려 해도 일제히 똑딱거리기 시작합니다."

이 동기화는 중력 효과와 양자 상호 작용 사이의 흥미로운 상호 작용을 보여주는데, 양자 상호 작용은 중력 적색 편이로 인한 자연스러운 비동기화를 재정의할 수 있습니다.

이 동기화는 그저 기이한 일이 아니었습니다. 양자 얽힘이 생성되는 원인이기도 했습니다. 양자 얽힘은 입자가 상호 연결되어 한 쪽의 상태가 다른 쪽의 상태에 즉시 영향을 미치는 현상입니다.

놀랍게도 연구자들은 동기화 속도가 얽힘의 간접적인 척도 역할을 할 수 있다는 것을 발견하여 두 효과 간의 상호 작용을 정량화하는 데 통찰력을 제공했습니다. JILA 박사후 연구원인 김경태 박사는 "동기화는 중력 적색 편이와 양자 상호 작용 간의 경쟁을 보여주는 첫 번째 현상입니다."라고 덧붙였습니다. "이것은 이 두 힘이 어떻게 서로 균형을 이루는지에 대한 창문입니다."

물리학 연구 발전

이 연구는 두 물리학 분야 사이의 초기 상호작용을 밝혀냈지만, 개발된 프로토콜은 실험 기법을 개선하여 양자 컴퓨팅에서 기본 물리학 실험에 이르기까지 응용 범위를 넓혀 더욱 정밀해질 수 있습니다.

"GR이 촉진하는 이 얽힘을 감지하는 것은 획기적인 업적이 될 것이고, 우리의 이론적 계산에 따르면 현재 또는 단기 실험에서 가능할 것으로 보인다"고 레이는 말했습니다.

미래의 실험을 통해 입자가 다른 조건에서 어떻게 행동하는지 또는 상호작용이 중력 효과를 어떻게 증폭시키는지 알아낼 수 있으며, 이를 통해 현대 물리학의 두 주요 기둥을 통합하는 데 한 걸음 더 다가갈 수 있습니다.

이 연구는 JILA PFC와 함께 슬론 재단, 사이먼스 재단, 하이징-시몬스 재단의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250305224010.htm