물리학자들은 사람 크기만한 물체를 양자 상태가 되게 합니다.

연구원들은 중력파 관측소의 첨단 장비를 간섭하기 위해 레이저를 사용했습니다. 결합된 거울 운동을 양자에 가까운 기저 상태로 냉각합니다.

육안으로 볼 때 대부분의 “정적인 상태”의 물체는 모두 완전히 정지된 것입니다. 사실은 만약 양자 렌즈를 사용해서 관측하면 탁자 위의 사과는 매우 활동적인 한 무더기의 진동 입자로 보입니다. 지난 수십 년 동안 물리학자들은 원자가 거의 고정된 상태(운동 기저 상태)에 놓이도록 물체를 초과 냉각하는 방법을 발견했습니다. 현재 물리학자들은 원자 구름과 나노 미터 물체를 이런 순수한 양자 상태로 변환시킬 수 있습니다.
 
현재 미국 MIT가 이끄는 팀이 처음으로 사람 크기의 물체를 운동 기저 상태에 가까운 냉각을 했습니다. 한 위치에서 보면 목표 물체는 형체가 있는 것이 아니고 4개의 독립 물체 (약 40kg)의 결합된 운동입니다. 연구진은 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)의 도움을 받아 매우 높은 정밀도로 물질의 움직임을 측정하고 그 집단 운동을 77NK로 냉각 시켰는데, 이는 예측된 기저 상태의 온도(10NK)보다 약간 더 높았습니다. 연구원들은 그 결과가 인간에게 거대한 양자 물체에 대한 중력의 영향을 관찰할 수 있는 기회를 제공한다고 말합니다. 현지 시간으로 6월 18일 “사이언스” 저널에 관련 연구 결과가 게재되었습니다.

MIT의 기계 공학 조교수인 Vivishek Sudhir는 다음과 같이 말했습니다. 대규모 양자 상태에 대한 중력의 작용을 관찰한 사람은 아무도 없습니다. 킬로그램급 물체를 양자 상태에 놓이게 하는 방법을 시연했습니다. 이것은 중력-양자학의 과학 실험 연구를 위한 기반을 마련했습니다.　　

연구자들은 원자 사이의 상호 작용과 외부 영향은 어떤 물체 중에도 어떤 형식적인 운동이 존재하고 이러한 임의의 운동은 모두 물체의 온도에 반영된다는 점을 지적했습니다. 비록 물체가 절대 영도에 가까워 지게 냉각되더라도 여전히 잔류 양자 운동이 있을 것입니다. 물체의 움직임을 멈추기 위해 동일한 크기와 반대 방향의 상쇄하는 힘을 가할 수 있습니다.

만약 과학자들이 원자 운동의 속도와 방향을 정확하게 결정할 수 있다면 상쇄하는 힘을 응용하여 온도를 낮출 수 있습니다. 이것이 바로 “피드백 냉각” 기술입니다. Sudhir는 “물체에 온도가 있다는 사실은 주변 물체와 상호 작용하는 경향을 반영했습니다. 큰 물체를 주변과 완전히 분리하는 것은 어렵습니다.” 라고 말했습니다. 
 
 큰 물체의 원자를 거의 바닥 상태로 냉각시키기 위해 과학자들은 먼저 반드시 고정밀도로 움직임을 측정해서 움직임을 정지시키는 데 필요한 상쇄하는 힘을 결정해야 합니다. LIGO는 그러한 기회를 만들었습니다. Sudhir는 “사실은 우리가 수학적 방법을 사용하여 4개 거울의 결합된 움직임을 그려 내고 그것을 10kg의 단일 물체의 움직임으로 줄일 수 있다는 것을 증명했습니다. 원자 운동 및 기타 양자 효과를 측정할 때 측정된 동작이 무작위로 거울에 부딪혀 움직이게 하여 “반작용 측량”의 양자 효과를 유발할 수 있습니다. 만약 LIGO에서 연속적으로 이런 거울을 측정하면 후속 광자가 전달하는 정보는 과거 광자가 생성한 무작위 반동을 충분히 반영할 수 있습니다.
 
각각의 거울에서 모두 양자와 고전적 소동에 대한 완전한 기록을 완성한 후에 연구원들은 각 거울의 뒷면에 반작용하는 힘을 가할 수 있는 전자석을 설치했습니다. 전자기력은 집단적 움직임의 균형을 거의 완전한 정지 상태에 가깝게 합니다. 연구원 Chris Whittle은 다음과 같이 말했습니다. 기저 상태 준비를 완성하는 것은 이상한 양자 상태를 발견하는 첫 번째 단계입니다. 미래에는 기타 양자 상태에 대한 대규모 연구를 전개할 수 있을 것입니다.