출처: https://phys.org/news/2017-12-secret-movement-quantum-particles.html

Researchers from the University of Cambridge have taken a peek into the secretive domain of quantum mechanics. In a theoretical paper published in the journal Physical Review A, they have shown that the way that particles interact with their environment can be used to track quantum particles when they're not being observed, which had been thought to be impossible.

케임브리지대학교 연구진이 양자역학의 비밀스러운 영역에 진입했다. 피지컬 리뷰 A에 게재한 이번 논문에서 연구진은 입자가 주변환경과 상호작용하는 방법을 이용하면 양자가 관찰되지 않는 상태에서도 추적할 수 있음을 보였다. 그 전까지 이는 불가능하다고 여겨졌다.

One of the fundamental ideas of quantum theory is that quantum objects can exist both as a wave and as a particle, and that they don't exist as one or the other until they are measured. This is the premise that Erwin Schrödinger was illustrating with his famous thought experiment involving a dead-or-maybe-not-dead cat in a box.

양자역학의 기본 원리 중 하나는 양자적 객체가 동시에 파동과 입자로 존재할 수 있으며, 측정되기 전까지는 입자나 파동 어느 하나의 형태로만 존재하지 않는다는 것이다. 해당 전제는 상자 속의 고양이 비유로 알려진 어윈 슈뢰딩거의 사고실험에서 잘 드러나 있다.

"This premise, commonly referred to as the wave function, has been used more as a mathematical tool than a representation of actual quantum particles," said David Arvidsson-Shukur, a Ph.D. student at Cambridge's Cavendish Laboratory, and the paper's first author. "That's why we took on the challenge of creating a way to track the secret movements of quantum particles."

"해당 전제는 일반적으로 파동함수라 불리는데, 파동함수는 여태까지 양자의 실제 상태에 대한 표현이라기보다 수학적 도구로 활용되어 왔습니다"라고 해당 논문의 제1저자이자 케임브리지대학교 카벤디쉬연구소 데이빗 아빗슨-슈쿠르 박사가 말했다. "이러한 이유로 저희는 양자의 숨겨진 움직임을 추적하는 방법을 개발하려 시도했습니다".

Any particle will always interact with its environment, 'tagging' it along the way. Arvidsson-Shukur, working with his co-authors Professor Crispin Barnes from the Cavendish Laboratory and Axel Gottfries, a Ph.D. student from the Faculty of Economics, outlined a way for scientists to map these 'tagging' interactions without looking at them. The technique would be useful to scientists who make measurements at the end of an experiment but want to follow the movements of particles during the full experiment.

모든 입자는 언제나 주변환경과 상호작용하며, 그 과정에서 경로를 따라 "표시"가 매겨진다. 아빗슨-슈쿠르는 논문의 공동저자인 카벤디쉬연구소 소속 크리스핀 반즈 교수와 경제학부 악셀 고프리와 협력하여 양자를 관찰하지 않고서도 이러한 "표시성" 상호작용을 추적할 수 있는 방법을 제안했다. 해당 방법은 실험의 마지막에 입자를 측정해야 하면서도 실험 과정에서 이루어지는 입자의 이동경로를 추적하고자 하는 과학자들에게 유용할 것으로 예상된다.

Some quantum scientists have suggested that information can be transmitted between two people – usually referred to as Alice and Bob – without any particles travelling between them. In a sense, Alice gets the message telepathically. This has been termed counterfactual communication because it goes against the accepted 'fact' that for information to be carried between sources, particles must move between them.

몇몇 양자물리학자들은 두 명의 사람(일반적으로 앨리스와 밥이라고 부른다) 사이에 그 어떤 입자의 송수신 없이도 정보가 전달될 수 있다고 주장한다. 마치 앨리스가 텔레파시로 메시지를 얻는 것처럼 말이다. 이러한 현상은 '반사실적 통신'이라고 불리는데, 왜냐하면 이는 정보발생원 간에 정보가 전달되기 위해서는 반드시 이들 간에 입자가 오고가야 한다는 '사실'을 위반하기 때문이다.

"To measure this phenomenon of counterfactual communication, we need a way to pin down where the particles between Alice and Bob are when we're not looking," said Arvidsson-Shukur. "Our 'tagging' method can do just that. Additionally, we can verify old predictions of quantum mechanics, for example that particles can exist in different locations at the same time."

"반사실적 통신 현상을 규명하기 위해서 저희는 우리가 관찰을 하지 않는 상황에서도 입자가 앨리스와 밥 사이에 어디에 있는지 추적할 방법이 필요했습니다"라고 아빗슨-슈쿠르는 말했다. "저희가 개발한 이 '표시법'은 바로 이것을 가능케 합니다. 이 뿐만 아니라 양자역학에서 매우 오래된 예측들, 예를 들어 입자가 동일한 시간에 여러 장소에 존재할 수 있는지도 입증해낼 수 있습니다".

The founders of modern physics devised formulas to calculate the probabilities of different results from quantum experiments. However, they did not provide any explanations of what a quantum particle is doing when it's not being observed. Earlier experiments have suggested that the particles might do non-classical things when not observed, like existing in two places at the same time. In their paper, the Cambridge researchers considered the fact that any particle travelling through space will interact with its surroundings. These interactions are what they call the 'tagging' of the particle. The interactions encode information in the particles that can then be decoded at the end of an experiment, when the particles are measured.

현대물리학의 선구자들은 양자역학 실험에서 나오는 다양한 결과들의 확률을 계산해내는 방정식을 고안해냈다. 그러나 이 방정식들은 양자 자체가 관찰되지 않는 상황에서 무엇을 하고 있는지에 관해 아무런 설명을 제공해주지 않는다. 지금까지의 실험들에 따르면, 양자는 관찰되지 않는 상태에서 여러 비고전적인 것들(예를 들면 동시에 여러 곳에 존재할 수 있는 등)을 할 수 있다. 해당 논문에서 케임브리지 연구진은 공간을 통해 이동하는 모든 입자는 그 주변환경과 상호작용한다는 사실에 초점을 두었다. 연구진은 이러한 상호작용을 입자의 '표시'라고 부른다. 이러한 상호작용은 입자 내에 정보를 부호화하는데, 이 정보는 실험 마지막에 입자를 관찰함으로써 다시 복호화될 수 있다.

The researchers found that this information encoded in the particles is directly related to the wave function that Schrödinger postulated a century ago. Previously the wave function was thought of as an abstract computational tool to predict the outcomes of quantum experiments. "Our result suggests that the wave function is closely related to the actual state of particles," said Arvidsson-Shukur. "So, we have been able to explore the 'forbidden domain' of quantum mechanics: pinning down the path of quantum particles when no one is observing them."

연구진은 입자 내 부호화된 정보가 1세기 전 슈뢰딩거가 언급한 파동함수와 직접적인 관련이 있음을 발견했다. 이전까지 파동함수는 양자역학 실험의 결과물을 예측하기 위한 추상적인 계산수단으로만 여겨졌다. "저희의 실험 결과에 따르면, 파동함수는 입자의 실제 상태와 밀접한 관련이 있습니다"라고 아빗슨-슈쿠르는 말했다. "이렇게 해서 저희는 양자역학의 '비밀스러운 영역'을 탐색할 수 있게 되었습니다. 양자를 전혀 관찰하지 않은 상태에서도 양자의 경로를 추적할 수 있게 되었으니까요"

논문링크: 

아빗슨-슈쿠르 외, 반사실적 통신규약에서의 반사실성 평가, 피지컬리뷰A (2017)

D. R. M. Arvidsson-Shukur et al. Evaluation of counterfactuality in counterfactual communication protocols, Physical Review A (2017). DOI: 10.1103/PhysRevA.96.062316