물리학자들은 가장 큰 것을 창조한다

Jan 15, 2024

물리학자들은 역대 가장 큰 물체를 양자 중첩에 넣었습니다.

무게가 16마이크로그램인 사파이어 크리스탈은 두 가지 진동 상태가 양자 역학적으로 중첩되어 존재하는 물체 중 가장 큰 물체입니다. 취리히에 있는 스위스 연방 기술 연구소(ETH Zurich)의 하이브리드 양자 시스템 그룹 연구원들은 결정을 진동으로 자극하여 원자가 동시에 앞뒤로 진동하고 두 가지 반대 방향으로 진동하도록 했습니다. 양자 중첩 상태.

연구 그룹이 사이언스(Science)에 보고한 바와 같이, 이 상태는 물리학자 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)의 유명한 사고 실험에 나오는 고양이의 상태와 매우 유사합니다. 슈뢰딩거의 양자역학적 시나리오에서 고양이는 독약병을 방출하는 원자의 붕괴에 따라 살아 있으면서도 죽기도 합니다. 새로운 실험에서 사파이어 크리스탈은 거시적으로는 "고양이 상태"에 해당합니다. 이러한 상태는 과학자들이 양자 세계의 법칙이 더 큰 물체에 대한 고전 물리학의 규칙으로 전환되는 방법과 이유를 파악하는 데 도움이 될 수 있습니다.

[물리학의 "고양이 상태" 실험에 대해 자세히 알아보기]

약 1017개의 원자로 구성된 사파이어가 양자역학적 물체처럼 행동하도록 하기 위해 연구팀은 사파이어를 진동하도록 설정하고 초전도 회로에 결합했습니다. (원래 사고 실험의 관점에서 보면 사파이어는 고양이, 초전도 회로는 붕괴하는 원자였다.) 이 회로는 큐비트, 즉 "0"과 "" 상태가 동시에 존재하는 양자 정보의 비트로 사용되었다. 1." 회로의 중첩은 수정의 진동으로 옮겨졌습니다. 따라서 결정 안의 원자는 마치 슈뢰딩거의 고양이가 죽었으면서 동시에 살아 있는 것처럼, 예를 들어 위아래로 동시에 두 방향으로 움직일 수 있습니다.

중요한 것은 이 두 상태(살아있는 것과 죽은 것, 위아래) 사이의 거리가 ETH 취리히 과학자들이 확인한 양자 불확정성 원리에 따른 거리보다 커야 한다는 것입니다. 연구진은 초전도 큐비트를 사용하여 결정의 두 진동 상태 사이의 거리를 결정하는 데 성공했습니다. 약 20억분의 1나노미터의 작은 크기이지만 두 상태를 의심할 여지 없이 서로 구별할 수 있을 만큼 충분히 큽니다.

예루살렘 히브리 대학에서 양자 역학 회로를 연구하고 있는 물리학자 Shlomi Kotler는 "이번 발견은 실제 실험실 실험에서 양자 역학으로 간주될 수 있는 것의 한계를 뛰어 넘었습니다"라고 말합니다. Kotler는 연구에 참여하지 않았습니다.

원자와 아원자 입자 규모로 존재하는 양자 역학적 물체의 경우, 고전적으로 양립할 수 없는 상태의 중첩은 일반적입니다. 반면에 매우 많은 원자로 구성된 거시적 물체는 일반적으로 고전 역학을 따릅니다. 두 가지 모순된 상태를 동시에 가정할 수 없습니다. 고양이가 살아 있으면서도 동시에 죽어 있을 수 없듯이, 크리스탈도 동시에 위아래로 진동할 수 없습니다. 그러나 여기서 가장 큰 수수께끼는 일반적으로 그렇게 할 수 없는 이유입니다. 결국 물체는 아무리 크더라도 양자물리학의 법칙을 따르는 원자와 아원자 입자로 구성된다.

Kotler는 더 큰 고양이 상태를 찾는 것이 관찰된 양자 역학 물체의 "한계를 확장"하는 방법이라고 지적합니다. 이 경우에는 이 상태에 16마이크로그램만큼 거대한 물체가 존재할 수 있음을 입증함으로써 가능합니다. (물론 16마이크로그램은 여전히 ​​미세한 수준입니다.)

더 큰 물체가 양자 역학을 따르지 않는 이유에 대한 몇 가지 가능한 설명이 있습니다. 예를 들어, 원자 수가 증가함에 따라 아마도 점점 더 많은 영향으로 인해 양자 역학 상태가 붕괴될 수 있습니다. 또 다른 가능성은 중력이 중요한 역할을 한다는 것입니다. 희망은 점점 더 큰 고양이 상태가 결국 슈뢰딩거의 고양이 퍼즐을 해결하는 데 도움이 될 수 있다는 것입니다.

실제로 Marius Bild 및 Yu Yang과 함께 연구를 공동으로 주도한 ETH Zurich의 Matteo Fadel은 이러한 가능성 중 일부를 테스트하기 위해 사파이어 및 초전도체로 팀의 성공을 구축하기를 희망합니다. Fadel은 "저는 저에너지 양자 중력 현상학을 포함한 기본 물리학을 조사하기 위해 우리 장치의 잠재력을 탐구하는 데 관심이 있습니다."라고 말했습니다.