출처: https://www.sciencealert.com/it-s-possible-to-keep-schroedinger-s-cat-alive-without-ever-opening-the-box

Researchers have used an artificial atom to show it's possible to keep Schrödinger's cat alive indefinitely, but also accelerate its demise, all without needing to look inside its box. Using classic analogies like this might seem simplistic or weird, but this work has huge implications for science. It actually reveals how reality operates on a fundamental level, and could also lead to better tools for physicists to use in quantum engineering.

과학자들이 인공원자를 사용하여 상자 속을 들여다보지 않고서도 슈뢰딩거의 고양이를 영원히 살아있는 상태로 유지하거나 죽음을 앞당길 수 있음을 증명했다. 이런 고전적인 비유를 사용하는 것은 겉으로 보기에 매우 단순하고 이상하게 여겨질 수 있으나, 해당 발견은 과학계에 큰 의미를 가진다. 해당 발견은 현실이 기본적인 수준에서 어떻게 작동하는지 알려주며 양자공학에서 사용되는 도구를 개선하는데 도움을 준다.

The scientists at Washington University in St. Louis set out to explore whether it's necessary to actually collect information from a quantum system – or in simple terms, look at a particle – in order to affect its behaviour, or if disturbing it will be enough.

Spoiler alert: they've found that you really don't need to look.

세인트루이스의 워싱턴대학교 연구진은 양자시스템의 행동에 영향을 끼치기 위해서는 양자시스템에서 실제로 정보를 수집(예를 들면 입자를 관찰한다든지)할 필요가 있는지, 아니면 단순히 교란을 주는 것 만으로도 충분한지 알아보기로 결정했다.

스포일러 주의: 꼭 관찰을 해야 하는 것은 아니다.

Some history: A cat, a box and Zeno effects

서론: 고양이와 박스와 제노효과

For those of you who don't know much about Schrödinger's cat, here's the basics. According to the Copenhagen interpretation of quantum mechanics, a physical object, such as an atom, doesn't have defined properties until we measure them.

In response, physicist Erwin Schrödinger proposed a thought experiment. He argued that if that was true, we could put a radioactive material into a small container next to a Geiger counter, link the counter to a hammer, and put the hammer over a flask of acid ready to smash it the moment the atom decays.

슈뢰딩거의 고양이가 무엇인지 잘 모르는 사람들을 위해서 설명을 하고자 한다. 양자역학에 대한 코펜하겐 해석에 따르면, 원자와 같은 물리적 대상은 우리가 측정을 하기 전까지는 정확한 상태를 가지고 있지 않다.

이에 대해 어윈 슈뢰딩거는 사고실험을 하나 제안했다. 그는 주장하기를, 만약 이러한 해석이 사실이라면, 우리는 작은 용기에 방사능 물질을 넣어서 방사능계측기 곁에 둔 다음, 방사능계측기를 망치에 연결시키고, 망치를 독극물이 든 플라스키 위에 설치하여 방사능 물질의 원자가 붕괴되면 망치가 플라스크를 깨트려 독극물이 방출되도록 만들 수 있다.

If the whole thing is put inside a box with a cat, we can't measure the atom's properties, so as far as we know, the atom has both decayed and not decayed. As a consequence, the cat is alive and dead until we look.

만약 위에서 말한 장치를 고양이가 들은 상자에 넣는다면, 우리는 원자의 상태를 측정할 수 없으며, 유일하게 말할 수 있는 것은 원자가 동시에 붕괴했으면서 붕괴하지 않았다는 것 뿐이다. 따라서 상자 안에 들어 있는 고양이도, 우리가 상자 안을 들여다보기 전까지는, 살아있으면서 동시에 죽었다고 할 수 있다.

This is the story most people have heard. But there's a twist.

In 1974, researchers wondered, "Does the lifetime of an unstable system depend on the measuring apparatus?"

In what has become known as the quantum Zeno effect, physicists ask what would happen if we constantly watched an unstable atom? Would it decay?

According to the Zeno effect, if constantly measured, it would never emit a single particle of radiation.

대부분의 사람들은 이 이야기를 들어본 적이 있을 것이다. 하지만 재밌는 부분은 이제부터다.

1974년에 과학자들은 '불안정한 시스템의 생애주기가 측정장치에 의해 결정되는가?'를 고민했다.

양자적 제노효과가 발견되기 전까지 과학자들은 '만일 우리가 계속해서 불안정한 원자를 측정하면 무슨 일이 발생하는가? 원자가 붕괴할 것인가?'라는 질문을 가졌다.

그리고 제노효과에 따르면, 불안정한 원자를 계속해서 측정할 경우 단 하나의 방사선도 방출되지 않는다.

This was actually demonstrated for the first time in 1989 in an experiment conducted by the US National Institute of Standards and Technology, taking the thought from a peculiar hypothesis to strange reality.

Just under a decade later, the opposite of the Zeno effect was proposed – an anti-Zeno effect. Frequently measuring a radioactive atomic nucleus could also speed up its decay, depending on how it was done.

제노효과는 1989년에 최초로 미 국립표준기술연구소의 실험을 통해 입증되었으며, 이렇게 해서 흥미로운 가설에서 나온 아이디어는 괴랄한 현실이 되었다.

그리고 10년 후에 과학자들은 제노효과의 반대인 반제노효과를 제안했다. 방사성 원자핵을 계속해서 측정하면 측정방법에 따라서 그 붕괴가 더 빨라질 수 있다는 것이다.

One of the big questions is what exactly does "measurement" mean?

To measure something like a radioactive atom, something needs to interfere with it so information of some sort can come out. In doing so, the atom's multiple possibilities collapse into a single outcome, the one we can see.

But is this collapse the cause of the Zeno effect? Or can the likelihood of the atom's decay be sped up or slowed down without causing it to collapse into an absolute state?

여기에서 가장 곤란한 질문은 '측정'이 대체 무엇을 의미하는가이다.

방사성 원자 같은 대상물을 측정하기 위해서는, 일단 무엇인가가 방사성 원자와 간섭을 일으켜 어떤 정보를 밖으로 끄집어 내야 한다. 이렇게 하면 방사성 원자의 다양한 가능성이 하나의 결과로 붕괴하며, 우리는 이 결과를 보는 것이다.

하지만 이러한 붕괴가 제노효과의 원인일까? 아니면 방사성 원자를 하나의 상태로 붕괴시키지 않고도 그 붕괴할 확률을 높이거나 낮출 수 있는 방법이 있을까?

Back to now: Zeno versus anti-Zeno

현실로 돌아와서: 제노 대 반제노

This all brings us back to the experiment conducted at Washington University.

To determine if it's the prodding or the transfer of information at work behind both of the Zeno and anti-Zeno effects, the researchers used a device that behaved for most purposes like an atom with multiple energy states.

This "artificial atom" could test a hypothesis on how energy states called electromagnetic modes could be responsible for these effects.

이제 워싱턴대학교에서 한 실험으로 되돌아가 보자.

제노효과와 반제노효과의 원인이 단순히 간섭 때문인지 아니면 정보의 이동(관찰)인지를 확인하기 위해서 연구진은 다양한 에너지 상태를 가지는 원자처럼 유사하게 행동하는 장치를 사용했다.

"Atomic decay rates depend on the density of possible energy states, or electromagnetic modes, at a given energy," said researcher Kater Murch.

"In order for the atom to decay, it must emit a photon into one of these modes. More modes means more ways to decay, and therefore faster decay."

By the same token, fewer modes means fewer options to decay, which can explain why this atomic watched pot would never boil.

"원자의 붕괴속도는 주어진 에너지 하에서 가능한 에너지 상태의 밀도, 또는 전자기 모드에 따라 결정됩니다."라고 케이터 머치 연구원은 말했다.

"원자가 붕괴를 하려면 이러한 전자기 모드들 중 하나로 광자를 방출해야 합니다. 전자기 모드 개수가 많으면 많을 수록 원자가 붕괴할 수 있는 경로가 더 많으며, 따라서 원자가 붕괴하는 속도도 빨라집니다."

그리고 이와 반대로 전자기 모드 개수가 적으면 적을 수록 원자가 붕괴할 수 있는 경로가 적어서 원자가 오랫동안 붕괴되지 않은 상태로 유지된다.

Murch and his team managed to manipulate the number of modes in their artificial atom before using standard measurements to check its state once every microsecond, increasing or decreasing their artificial atom's "decay".

"These measurements constitute the first observation of the two Zeno effects on a single quantum system," said Murch.

To see if it was the observing or the interference that was ultimately responsible, the researchers did what's called a quasi-measurement, which is basically creating the interference without actually resulting in a collapse of the atom's state.

케이터 머치와 그 연구진은 인공원자가 가지는 전자기 모드 개수를 조절하는데 성공했다. 그 다음에 연구진은 일반적인 측정을 통하여 매 마이크로초마다 인공원자의 상태를 측정했고, 이런 방식으로 인공원자의 붕괴를 늘리거나 줄일 수 있었다.

"이는 두 가지의 상반된 제노효과를 하나의 양자시스템에서 관찰한 첫 사례입니다"라고 케이터 머치는 말했다.

제노효과와 반제노효과의 원인이 정말로 관찰 때문인지 아니면 간섭 때문인지를 알아내기 위해 연구진은 이른바 '준측정'을 사용했다. 준측정이란 원자의 상태가 붕괴되지 않도록 그대로 유지하면서 간섭만을 발생시키는 방법이다.

The team weren't sure what they'd find.

"But days of data taking conclusively showed that the quasi-measurements caused the Zeno effects in the same way as the usual measurements," said Murch.

That means it's the disturbance of the measuring and not the actual measurement itself that gives rise to the Zeno effect and anti-Zeno effect.

처음에 연구진은 자신들이 무슨 결과를 얻을 수 있을지 몰랐다.

"하지만 며칠 동안 데이터를 분석한 결과, 준측정이 일반적인 측정과 똑같이 제노효과를 발생시킨다는 사실을 알아냈습니다"라고 케이터 머치는 말했다.

다시 말해서, 실질적인 측정이 아니라 측정에서 발생하는 간섭이 제노효과와 반제노효과를 일으킨다.

Knowing this could provide new ways of controlling quantum systems using Zeno dynamics.

So what does all of this mean for poor old Schrödinger's cat?

"The Zeno effect says that if we check on the cat, we reset the atom's decay clock, keeping the cat alive," said researcher Patrick Harrington.

해당 발견은 제노역학을 통한 양자시스템 제어에 새로운 돌파구를 제시해줄 수 있다.

그렇다면 가엾은 슈뢰딩거의 고양이는 어떻게 되는 것일가?

"제노효과에 따르면 우리가 지속적으로 상자를 열어 고양이를 볼 경우 원자의 붕괴시계를 리셋시켜 고양이를 계속 살아있는 상태로 유지할 수 있습니다"라고 패트릭 해링턴 연구진이 말했다.

"The twist, however, is that because the Zeno effects have to do with disturbance and not information, it isn't even necessary to look inside the box to provoke them. The same effects will occur if you just shake the box."

"하지만 제노효과는 정보의 이동이 아니라 간섭 때문에 발생하므로 반드시 상자를 열어서 안을 들여다볼 필요는 없습니다. 그냥 상자를 닫은 채로 흔들기만 해도 똑같은 효과가 발생합니다"