영국 물리학자들이 사상 최초로 양자 얽힘(quantum entanglement) 이미지를 포착하는데 성공했다.

벨 얽힘(Bell entanglement)이라고 불리는 양자 얽힘은 양자 컴퓨팅과 양자암호 통신 등 실용 분야에 널리 이용되고 있지만 그 현상이 하나의 이미지로 포착된 것은 이번이 처음이다.

12일(현지시각) 과학저널 사이언스 어드밴스(Science Advances)에 발표된 논문에서 영국 글래스고대(University of Glasgow) 물리학자들은 양자엃힘을 처음으로 촬영한 방법을 소개하고 엘버트 아인슈타인이 ‘멀리 떨어진 곳의 유령같은 거동(‘spooky action at a distance)’으로 일컬은 현상의 시각적 증거를 제시했다.

아인슈타인의 특수 상대성 이론과 양립할 수 없던 두 개의 얽힌 입자 사이 즉각적 원격 상호작용과 관련한 오래된 실험은 이중슬릿 실험이다. 빔 스플리터를 통과해 상호 작용하는 두 광자는 연결 상태를 유지, 둘간 분리된 거리가 아무리 멀어도 즉각적으로 상호간 물리적 상태를 공유할 수 있다. 이 연결은 양자 얽힘(quantum entanglement)으로 알려져 양자역학을 뒷받침해왔다.

존 벨(Sir John Bell)은 이러한 괴이함, 강한 형태의 얽힘을 나타내는 비로컬 상호작용 개념을 설명하기 위해 벨 부등식 실험(Bell inequality test)을 제안했다. 부등식이 성립되면 국소적 숨은 변수가, 성립되지 않으면 양자역학이 맞는 것이 된다.

글래스고대 연구팀은 ‘2채널 벨 부등식 실험’에서 유용한 비선형 광학 결정 재료 중 하나인 BBO(β-Barium Borate)를 양자 광원으로 활용해 얽힌 광자(entangled photons)를 발사하는 시스템을 고안했다. 장치는 얽힌 광자가 통과할 때 광자 위상(photons phase)을 바꾸는 액정 물질(liquid-crystals materials)에 표시되게끔 했다.

연구팀은 또 하나의 광자와 그것의 얽힌 쌍을 포착하는 이미지를 촬영할 수 있는 초감각 카메라를 설치해 광자의 얽힘에 대한 가시적인 이미지를 포착했다.

벨 부등식 실험(Bell inequality test)를 수행하기 위한 설정 모식도. credit: Science Advances.

논문에 따르면 연구팀의 실험 시스템에서 레이저(355nm)에 의해 펌핑 된 베타 바륨 보레이트(β-Barium Borate, BBO) 결정은 즉각적 파라메트릭 하향-전환(spontaneous parametric down-conversion, SPDC) 과정을 통해 710nm에서 공간적으로 얽힘 쌍을 생성한다. 두 광자는 빔 스플리터에서 분리돼 두 줄기 별개 광학 시스템으로 전파된다. 첫 번째 광자는 결정 이미지 평면의 공간적 광 변조기(spatial light modulator, SLM)에서 반사돼 단일 모드 광섬유( single-mode fiber, SMF) 내부 수집 전에 위상 객체(phase object)를 표시한다. 이어 단일 광자 눈사태 다이오드 (single-photon avalanche diode, SPAD)에 감지된다.

다른 갈래의 시스템을 통과하는 두 번째 광자는 결정의 푸리에 면(Fourier plane, 객체 푸리에면과 동일)에 배치 된 SLM에서 반사돼 공간 π-위상(π-phase) 단계 필터를 표시한다. 이어 광자는 약 20m 길이 이미지 보존 및 지연 라인을 통해 전파돼 최종적으로 강화 전하-결합 장치(intensified charge-coupled device, ICCD) 카메라에 감지된다.

ICCD 카메라는 첫 번째 갈래에 위치한 SPAD에 의해 광자가 검출되면 조건부로 촉발된다. 이 지연(delay) 라인은 ICCD 카메라 감지 이미지가 SPAD 검출과 일치 이미지임을 보장한다. 두 번째 갈래에 지연 라인이 존재하면 카메라 촉발 지연을 보완하고 이미지 강화기(intensifier)의 4-ns 게이트 타임 동안 두 번째 광자가 카메라에 입사되도록한다.

논문의 주저자인 글래스고대 물리천문대 폴 앙투안 모레(Paul-Antoine Moreau) 박사는 “어렵게 포착한 이미지는 이미지의 형태로 처음 보이는 자연의 근본적 속성을 우아하게 보여주는 것”이라며 “양자 컴퓨팅의 새로운 분야를 발전시키고 새로운 형태의 이미지로 이끌 수 있는 흥미로운 결과”라고 밝혔다.

*논문제목

Imaging Bell-type nonlocal behavior, DOI: 10.1126/sciadv.aaw2563