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양자얽힘이란 서로 물리적으로 떨어진 두 개 이상의 양자가 서로 연관돼, 양자 한 개에 벌어지는 변화가 얽혀있는 다른 양자에도 영향을 미치는 현상을 말한다. 양자통신, 양자컴퓨팅 등 분야에 활발히 활용된다. 6월 14일, 이 현상을 이용해 지구의 자전을 측정했다는 내용의 연구 결과가 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 발표됐다. ^{doi: 10.1126/sciadv.ado0215}

필립 월터 오스트리아 비엔나대 물리학과 교수가 이끈 연구팀은 ‘광학 사냑 간섭계(Optical Sagnac Interferometer)’를 만들어 지구 자전을 기존보다 1000배 더 정확하게 측정하는 데 성공했다. 광학 사냑 간섭계는 동일한 경로를 반대 방향으로 나아가는 2개의 광선이 서로 간섭하는 패턴을 이용해 진동, 위치 등 물리적 변화량을 탐지하는 센서다. 광학 사냑 간섭계에 얽힘 상태인 광자 두 개를 넣으면, 두개의 광자는 동시에 반대방향으로 이동하는 한개의 입자처럼 작동한다. 광자 두개의 정보값이 연결돼 있기 때문에, 입자 하나만 관측해도 나머지 하나의 정보를 자연스럽게 얻을 수 있기 때문이다. 

연구팀은 서로 얽힘 상태인 광자 두 개를 전체 길이 2km인 광섬유에 넣고, 이를 코일 형태로 돌돌 말아 높이 약 1.4m의 고리 형태인 광학 사냑 간섭계를 만들었다. 이 광학 사냑 간섭계는 간섭계 주변 715m²의 운동을 감지할 수 있었다. 

연구팀은 간섭계의 성능을 파악하기 위해 이미 그 값이 잘 알려져 있는 지구의 자전 속도를 측정했다. 양자얽힘 현상을 이용해 제작한 광학 사냑 간섭계는 지구의 자전속도를 1초에 0.71탍ad(마이크로 라디안는 100만분의 1rad)이라고 계산해냈다. 이 수치는 현존하는 지구 자전 속도 측정값 중 이론값인 0.73탍ad과 가장 근사하다.

연구에 참여한 하오쿤 유 비엔나대 물리학과 연구원은 보도자료에서 “이번 연구결과는 양자얽힘을 이용한 실험적 방법이 기존 측정방법보다 지구의 자전을 더 정확하게 관측할 수 있었다는 점에서 양자 센서 분야의 의미있는 이정표가 된다”면서 “향후 양자얽힘을 이용한 회전 측성 센서를 개발할 수 있는 기반을 닦을 수 있었다”고 말했다.

양자얽힘을 이용한 광학 사냑 간섭계 모식도

▲Marco Di Vita

 

오스트리아 비엔나대 연구팀은 광학 사냑 간섭계에 서로 반대 경로로 회전하는 얽힌 상태의 두 광자를 넣었다. 간섭 패턴을 분석하면 지구의 자전 속도를 탐지할 수 있다.

 

비엔나대 연구팀이 개발한 광학 사냑 간섭계의 모습.