과학자 양자과학실험위성 묵자호 활용 중력 유도 양자 얽힘 상관계 실험 검사 전개

판젠웨이(彭建偉) 중국과학기술대 교수와 동료 펑청즈(彭承志)판징윈(彭靖雲) 교수 등은 미국 캘리포니아공대, 호주 퀸즐랜드대 등과 협력해 양자과학실험위성 '묵자호'를 이용해 한 예언 중력장에서 양자 퇴진을 초래한 이론적 모델을 실험 검증했다. 9월 19일에 연구 결과를 국제학술지 ‘사이언스’ 잡지에 'First Release' 형식으로 온라인상에 발표하였다.

양자역학과 광의상대성이론은 현대물리학의 양대 축이다. 그러나 양자역학과 광의상대성이론을 융합하려는 어떤 시도도 어려움을 겪고 있다. 현재 이미 알려진 네 가지 기본 상호작용 중 전자기, 약상호작용과 강상호작용은 모두 양자화되어 있으며 이미 통일되었다. 오직 중력의 작용에 대한 양자화 문제가 해결되지 않고 있는데, 이 문제를 해결하는 것은 네 가지의 기본적인 상호작용에 대한 대통일 이론의 수립에 도움이 될 것이다. 양자역학과 중력 이론을 어떻게 융합할 것인가에 대한 논의는 모형이 많지만 실험 검증이 부족하다. 한 가지 주요 이유는 이러한 이론적 모델의 예언들 현재 도달하기 어려운 극단적인 실험 조건을 필요로 하는데 예를 들어 극소（极小） 공간 척도나 매우 높은 에너지가 필요한다.

최근 이론 물리학자들은 현재의 실제 조건 하에서 진행할 수 있는 가능성을 탐구해 왔다

최근 이론 물리학자들은 현재의 실제 조건 하에서 실험 검증을 진행할 수 있는 새로운 기계 제도를 탐구해 왔다. 예를 들면, 호주 물리학자 Ralph 등은 '사건 형식' 이론 모델을 제시하여, 중력에 의한 양자 퇴행의 상관관계를 연구하고, 현실적인 실험 방안을 제시하였다. 지구 중력장에서의 광자에 매달리는 전파는 그 연관성이 확률적으로 손실될 수 있다고 예견했다. 가령 지구 표면에 엉킨 광자 쌍을 만들어 한 광자는 광원 부근의 지표에, 다른 한 광자는 지구 중력장을 가로질러 위성에 전달된다고 가정하면 기존 양자역학 이론에 따라 모든 얽힘 광자쌍은 얽힘 특성을 유지하지만, '사건형식' 이론에 따르면 얽힘 광자쌍 간의 연관성은 확률적으로 손상된다.

양자위성은 마침 이를 검증하는 이상적인 플랫폼이다. 지구 별 사이의 양자형 배포에 기초하여 판젠웨이 팀은 이미 일련의 혁신적인 실험 연구를 전개하였다. 2016년 8월 16일 우리나라가 세계 최초로 양자과학실험위성 ‘묵자호’를 발사했다. 묵자호는 2017년 8월까지 천 킬로미터급의 양성자 쌍방향 양자 얽힘, 지성 양자 비밀키 배포, 지성 양자 스텔스 전달태세, 3가지 작업 성과를 각각 ‘사이언스 잡지’ [Science 356, 1140 (2017)], ‘자연’ 잡지 [Nature 549, 43 (2017) ；Nature 549, 70 (2017)]에 발표하였다.

양자과학실위성 ‘묵자호’의 초기 실험작업과 기술 축적 덕분에 이 연구는 세계 최초로 우주에서 중력 유도를 하는 양자 얽힘과 관련된 것이고 지구 중력장을 가로지르는 양자 얽힘 광자 퇴상 건에 대한 테스트를 실시하였다. 결국 일련의 정교한 실험 설계와 이론적 분석을 통해 이번 실험은 사건 형식 이론이 예언한 중력에 의해 엉켜 후퇴하는 현상을 설득력 있게 배제하게 되었다. 실험 관측 결과를 토대로 기존 이론 모델을 수정 보완한 것이다. 수정된 이론에 따르면 묵자호는 현재 500km의 궤도 고도에서 뒤엉켜 후퇴하는 현상이 미약할 것으로 보인다. 더 확실한 검증을 위해서는 앞으로 더 높은 궤도의 실험 플랫폼에서 연구가 이뤄져야 한다.

이것은 국제 최초로 양자 위성을 이용하여 지구 중력장에서 융합양자를 시험해 보는 것이다. 역학 및 광의상대성이론의 이론에 대해 실험 검사를 진행하면 관련 물리학을 크게 촉진시킬 것이다.
 
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