출처: https://phys.org/news/2017-03-quantum-winner-loser.html

Applying the superposition principle to a photon's motion can lead it in two different directions at the same time.

If a different order of operations is applied in each path, this can be used to create a genuinely indefinite order of operations. 

Credit: Jonas Schmöle, Faculty of Physics, University of Vienna

광자의 운동에 중첩 원리를 적용하면 광자는 동시에 두 개의 경로를 지나게 된다.

각각의 경로에 제각기 다른 순서의 연산을 부여할 경우 실질적으로 순서가 정해지지 않은 연산을 만들 수 있다.

제공: 비엔나대학교 물리학부 조나스 슈몰

Our understanding of the world is mostly built on basic perceptions, such as that events follow each other in a well-defined order. Such definite orders are required in the macroscopic world, for which the laws of classical physics apply. The current work by a team of physicists from the University of Vienna is the first experimental quantification of such a superposition. It will be published in an upcoming issue of Science Advances.

세계에 대한 우리의 이해는 '모든 사건은 일정한 순서로 진행된다'는 기초적인 상식에 기반하고 있다. 고전 물리학이 지배하는 거시적 세계에서는 모든 사건들이 일정한 순서에 따라 일어난다. 하지만 최근 연구에서 비엔나대학교 연구진은 사건의 진행순서가 중첩될 수 있음을 실험적으로 밝혔다. 관련 논문은 사이언스 어드밴스지 차기호에 게재될 예정이다. 

When describing nature using physical laws, scientists often start from everyday experiences. However, our usual intuition does not apply to the quantum world. Physicists have recently realized that quantum theory even forces us to question innate concepts, such as the order in which things occur. Imagine, for example, a race between two friends, Alice and Bob. In everyday life, the winner is the first to cross the finish line. Thus, common sense says that either Alice wins, Bob wins, or they tie. This reasoning, however, is not always applicable in the quantum world. In fact, quantum mechanics allows each runner to win and lose in one race: Alice could reach the finish line both before and after Bob in quantum superposition.

물리학적 법칙을 통해 자연을 기술할 때 과학자들은 종종 일상적인 경험에 기초한다. 하지만 양자학적 세계에서는 우리의 상식이 적용되지 않는다. 최근에 물리학자들은 양자 이론이 심지어 '사건이 발생하는 순서'와 같은 가장 내재적인 개념까지도 의심하게 만든다는 사실을 깨달았다. 예를 들어 앨리스와 밥이라는 두 친구가 경주를 한다고 가정하여 보자. 일반적인 상황에서는 승자가 가장 먼저 도착선을 통과한다. 그리고 일반적인 상식에 따르면 앨리스가 이기거나, 밥이 이기거나, 아니면 둘 다 중간에 경주를 그만둬야 한다. 그러나 이런 사고방식은 양자학적 세계에서 때때로 통하지 않는다. 사실 양자역학에서는 동일한 경주에 참여하는 달리기 선수 각각이 지면서 동시에 이기는 상황이 가능하다. 다시 말하자면 양자학적 중첩현상으로 인해 앨리스가 밥보다 먼저 도착선에 도착하면서 동시에 밥보다 이후에 도착선에 도착하는 경우가 발생할 수 있다.

However, even if we held such a quantum race, how could we verify that both racers won in superposition? Part of the problem is that quantum mechanics says when we observe the race it "collapses". This means that we only see either Alice win or lose the race: we can't see the superposition.

하지만 우리가 이런 양자학적 경주를 개최한다고 해도, 어떻게 두 선수들이 중첩 상태에 있음을 증명할 수 있는가? 양자역학에 따르면, 우리가 경주를 보는 순간 그 양자학적 상태는 붕괴된다. 즉 우리는 경주에서 이긴 앨리스를 보거나, 아니면 경주에서 진 앨리스 밖에 볼 수 없는 것이다.

A group of physicists led by Philip Walther at the University of Vienna have implemented a new measurement, called a "causal witness", which allows them to watch Alice win and lose at the same time. This exciting measurement technique was designed by Caslav Brukner's theory group at the Austrian Academy of Sciences. Formally, a causal witness is a mathematical tool to determine whether it is possible to describe an experiment without having to resort to superimposed orders. Using this new tool, the physicists could do more than simply see Alice win and lose in superposition: they were able to quantify the degree to which the two situations actually were superimposed.

필립 월터가 이끄는 비엔나대학교 연구진은 이른바 "인과적 목격"이라 불리는 새로운 측정방법을 적용했다. 해당 측정방법을 사용하면 앨리스가 경기에서 이기면서 동시에 지는 것을 관측할 수 있다. 해당 측정방법은 캐슬리 브루커가 이끄는 오스트리아과학원 이론연구진이 고안해냈다. 형식적으로 표현하면 인과적 목격이란 중첩된 순서에 의존하지 않고 실험을 기술할 수 있는지 결정하는 일종의 수학적 도구이다. 이 새로운 도구를 사용함으로써 물리학자들은 단순히 앨리스가 이기는 사건과 지는 사건을 중첩된 상태에서 볼 수 있을 뿐만 아니라, 이 두 개의 사건이 얼마나 실제로 중첩되어 있는지 그 정도를 수량화하여 기술할 수 있다.

Rather than holding a microscopic quantum race, the scientists superimposed the order in which two quantum operations acted on particles of light. In their experiment, the physicists placed photons - particles of light - in a superposition of two different paths. Each path was then routed in different orders through two different quantum operations. Although in the past the team had created such a superposition of orders of quantum operations, they could previously only verify the superposition indirectly.

연구진은 미시적인 양자경주를 개최하는 대신 광자에 영향을 끼치는 2개의 양자연산 순서를 중첩시켰다. 이 실험에서 연구진은 중첩된 2개의 경로에 광자를 위치시켰다. 각각의 경로는 두 개의 양자연산을 다른 순서대로 통과한다. 비록 과거에도 연구진은 이와 유사한 양자연산 순서의 중첩을 만든 적이 있었으나 중첩 자체는 간접적으로밖에 관찰할 수 없었다. 

To implement the causal witness, the physicists needed to devise a scheme which allowed them to extract information from inside of a highly-fragile quantum process without destroying it. To do so, they used another quantum system to essentially raise a flag when the photon passed by one of the quantum operations. Although this could have still collapsed the system, the physicists found a new trick to measure the additional quantum system while keeping the superposition intact. Their new technique allowed them to only extract information about the overall superposition, and not about the order of operations. From those measurement results they confirmed that the photons really had passed through both quantum operations in two orders at the same time.

인과적 목격을 구현하기 위해 연구진은 고도로 취약한 양자 프로세스를 붕괴시키지 않고 그 내부의 정보를 추출해내는 방법을 고안해내야 했다. 이를 위해 연구진은 광자가 어느 하나의 양자연산을 통과할 때마다 해당 통과 사실을 알려주는 또다른 양자시스템을 추가로 만들었다. 물론 이렇게 해도 양자시스템이 붕괴할 수 있지만, 연구진은 중첩을 붕괴시키지 않으면서 위에서 언급된 추가적인 양자시스템을 측정할 수 있는 새로운 방법을 고안해냈다. 이 방법 덕분에 연구진은 양자연산 순서에 대한 정보는 그대로 숨겨두면서 전체적인 중첩에 관해서만 정보를 얻을 수 있었다. 해당 측정 결과에 근거하여 연구진은 광자들이 정말로 두 개의 양자연산을 두 개의 경로로 동시에 통과했음을 확인할 수 있었다.

The fact that the order of quantum operations can be put in quantum superposition opens up a new playground for studies in quantum mechanics. On the theoretical side, this is already indicated by a large number of studies and proposals about the role of "causal relations" within quantum mechanics. However, translating these proposals into laboratory experiments is challenging. "Our experimental demonstration is a meaningful step forward in this area, since it demonstrates how to extract information inside these processes without disturbing their quantum nature", says Giulia Rubino, lead author of the study.

양자연산의 순서 자체가 중첩될 수 있다는 사실은 양자역학 연구에 새로운 지평을 열어준다. 사실 이론적인 측면에서는 이미 많은 논문과 제안서에서 '인과적 목격'이 양자역학에서 하는 역할을 언급하여 왔다. 그러나 이러한 제안을 실험으로 구현하는데에는 많은 어려움이 있다. "이번 실험은 해당 부분에서 있어서 의미있는 한 걸음입니다. 양자적 성질에 영향을 끼치지 않으면서 양자학적 프로세스에 관한 정보를 어떻게 얻을 수 있는지 보여주기 때문입니다"라고 논문의 수석저자인 기울리아 루비노가 말했다. 

The group's next goal is to exploit new technological advances to create superpositions of more complex processes. This will allow them to gain deeper insights into the interplay between causal relations and quantum mechanics. Furthermore, it presents an interesting new route to optimize tasks even beyond what is possible using standard quantum computers with a fixed order of operations.

연구진의 다음 목적은 최신 기술을 활용하여 좀 더 복잡한 프로세스의 중첩상태를 만들어내는 것이다. 이는 연구진으로 하여금 인과관계와 양자역학 간 상호작용에 대한 이해를 얻는데 도움을 줄 것이다. 또한 고정된 연산순서를 가지는 기존 양자컴퓨터를 넘어서는 최적화 방법을 개발하는데 새로운 방법을 제시해 줄 수 있을 것으로 연구진은 기대하고 있다.  

More information: Experimental Verification of an Indefinite Causal Order, Giulia Rubino, Lee A. Rozema, Adrien Feix, Mateus Araújo, Jonas M. Zeuner, Lorenzo M. Procopio, Caslav Brukner, and Philip Walther, Science Advances (2017) DOI: 10.1126/sciadv.1602589

참고문헌: 미규정 인과적 순서의 실험적 증명, 기울리아 루비나, 리 A. 로제마, 아드리엔 페익스, 마테우스 아라우조, 조나스 M. 제우너, 로렌조 M. 프로코피오, 캐슬리 브루크너, 필립 월터, 사이언스 어드벤스드지 (2017) DOI: 10.1126/sciadv.1602589