과학자들은 양자 요동(quantum fluctuation)이 고전 물리학이 적용되는 물체에 영향을 줄 수있는 드문 사건을 관찰했다.

고전 물리학의 세계에 익숙한 우리에게 양자 물리학의 영역은 매우 반 직관적으로 여겨진다. 이것은 입자들이 뚫을 수없는 장벽을 통해 순간적으로 텔레포트될 수 있고, 장거리에서 즉시 통신하며, 한 번에 두 가지 상태가 공존하는 세상이다. 대부분의 경우,이 양자 쿼크는 우리가 알아 채기에는 너무 작은 미시 세계로 제한된다.

MIT와 LIGO 물리학자들은 거시적 물체(macroscale object)에 영향을 미치는 양자 사건을 목격했다.

양자 요동은 우리에게 공상 과학 소설처럼 들리는 또 다른 현상입니다. 기본적으로 겉보기에는 빈 공간 내에서 입자가 끊임없이 튀어 나와 양자 노이즈의 배경을 만든다. 이 양자 노이즈는 통제된 조건에서 매크로 스케일 물체를 이동시키기에 충분하다.

새로운 연구에서 연구원들은 LIGO 실험실에서 40kg 거울에 약간의 충격을 주는 양자 요동을 관찰했다. 거울은 약 10-20m만큼 움직인 것으로 측정됐다.

연구의 공동 저자 리 맥컬러(Lee McCuller)는“수소 원자는 10-10미터이므로 거울의 이러한 변위는 우리에게 수소 원자 규모 정도에 해당한다”고 말했다.

일반적으로 일상에서도 존재하는 이 영향을 관찰하기에는 너무 많은 간섭이 있다. 연구원들은 LIGO 시설 중 하나를 선택했다. LIGO는 우주 중력파를 감지하는 거대한 실험실이다. 중력파는 시공간 구조에서 파동으로 지구에 영향, 양자 폭보다 작은 거리에서 현실을 왜곡한다. 이러한 이벤트를 감지할 수 있을 정도로 민감하게 유지하기 위해 장비는 외부 노이즈로부터 매우 잘 보호된다. 양자 요동에 따른 거시적 움직임을 잠재적으로 포착할 수 있다.

연구의 공동 저자 네르기스 마발발라(Nergis Mavalvala)는“이 실험에서 특별한 점은 인간만큼 큰 물체에 양자 효과가 있다는 점”이라며 ‘”우리도 매순간 이러한 양자 요동에 의해 타격을 받고 있다. 우리 존재 환경은 열 에너지가 양자 진공 요동이 움직임에 측정에 영향을 미치기에는 너무 크다. 우리는 LIGO의 거울을 사용해 열 구동 모션 및 기타 힘으로부터 격리하는 작업을 수행했다”고 말했다.

양자 요동을 극대화하기 위해 연구자들은 LIGO 레이저에 양자 압착기(quantum squeezer)라는 도구를 사용했다. 양자 요동은 불확실성 원리에서 비롯된다. 기본적으로 입자의 특성 중 하나를 더 정확하게 측정할 수록 다른 요소를 확인할 수 없다. 이 경우 두 속성은 위상과 진폭이다.양자 압착기는 위상의 불확실성을 좁혀 진폭의 불확실성을 증가시킨다. 후자는 거울에 충격을 줄 가능성이 가장 높은 속성이다.

멕컬러는 “레이저 광의 이러한 양자 요동은 실제로 물체를 걷어차 게 할 수있는 방사선 압력을 유발할 수 있다. 우리의 경우 물체는 40킬로그램 거울이며 다른 그룹이 이 양자 효과를 측정한 나노 크기 물체보다 10억 배 더 무겁다”고 말했다.

양자 세계 이해를 돕는 이 연구는 양자 압착기가 LIGO가 현재보다 희미한 중력파를 감지하는 데 사용될 수 있다고 설명한다.

연구는 네이처(Nature) 지에 게재됐다.

*Yu, H., McCuller, L., Tse, M. et al. Quantum correlations between light and the kilogram-mass mirrors of LIGO. Nature 583, 43–47 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2420-8