새로운 연구에서 탐구 된 양자 역학

사랑에 빠진 입자

상상할 수 있는 가장 작은 규모의 러브 스토리 인 빛의 입자입니다. 멀리 떨어져 있어도 하나의 변경이 다른 하나에 영향을 미칠 정도로 밀접하게 연결된 입자를 가질 수 있습니다. "얽힘"이라고 불리는이 아이디어는 양자 역학이라고 불리는 물리학 분야의 일부로, 세계가 더 작은 원자와 입자 수준에서 작동하는 방식을 설명합니다. 양자 역학은 이러한 아주 작은 규모에서 입자의 일부 속성은 전적으로 확률에 기반한다고 말합니다. 다시 말해, 그것이 일어날 때까지 확실한 것은 없습니다. 벨의 정리 테스트 알버트 아인슈타인은 양자 역학의 법칙이 현실을 설명한다고 전적으로 믿지 않았습니다. 그와 다른 사람들은 작업에 숨겨진 변수가 있어야 양자 시스템을 예측할 수 있다고 가정했습니다. 그러나 1964 년에 존 벨은 그러한 숨겨진 변수를 가진 모든 물리적 현실 모델이 한 입자가 다른 입자에 즉각적인 영향을 미칠 수 있도록 허용해야 한다는 아이디어를 발표했습니다. 아인슈타인은 정보가 빛의 속도보다 더 빨리 이동할 수 없다는 것을 증명했지만, 벨에 따르면 입자는 서로 멀리 떨어져 있을 때 서로 영향을 미칠 수 있습니다. 과학자들은 벨의 정리를 현대 물리학의 중요한 기초로 간주합니다. 그의 정리를 증명하기 위해 많은 실험이 진행되었지만 벨이 최근까지 필요했던 실험에 대한 완전하고 적절한 테스트를 실행할 수 있는 사람은 아무도 없었습니다. 2015 년에이 주제에 대한 세 가지 별도의 연구가 발표되었으며 모두 양자 역학 및 얽힘에 대한 예측과 일치합니다. "흥미로운 것은 어떤 의미에서 우리는 실험 철학을 하고 있다는 것입니다."라고 콜로라도 주 볼더에 있는 니스트의 물리학자인 크리스털 샤름이 말했습니다. 샤름은 벨의 정리를 테스트하는 2015 년 연구 중 하나의 주 저자입니다. "인간은 항상 세상이 어떻게 작동하는지에 대한 기대를 가지고 있었고 양자 역학이 등장했을 때 다르게 행동하는 것처럼 보였습니다." '앨리스와 밥'이 양자 역학을 테스트하는 방법 샤름, 마르실리 및 동료들의 논문은 "강력한 허점 없는 지역 현실주의 테스트"라는 제목으로 저널에 게재되었습니다. 우리 논문과 작년에 발표된 다른 두 개의 논문은 벨이 옳았다는 것을 보여줍니다. 숨겨진 변수를 포함하는 세계의 모든 모델은 또한 얽힌 입자가 멀리서 서로 영향을 미칠 수 있도록 허용해야 합니다. 라고 파사데나에 있는 나사의 제트 추진 실험실의 프란체스코 마르실리는 말했습니다. 캘리포니아, 샤름과 공동 작업했습니다. 비유는 바울러의 니스트 실험실에서 수행된 실험을 이해하는 데 도움이 됩니다. A와 B가 얽힌 광자라고 상상해보십시오. A는 앨리스에게, B는 185 미터 (607 피트) 떨어져 있는 밥에게 전송됩니다. 앨리스와 밥은 그들의 속성을 파악하기 위해 온갖 방법으로 광자를 찌르고 찌릅니다. 서로 대화하지 않고, 그들은 각각의 결정을 안내하기 위해 난수 생성기를 사용하여 광자를 측정하는 방법을 무작위로 결정합니다. 앨리스와 밥이 메모를 비교할 때 독립적인 실험의 결과가 서로 관련되어 있다는 사실에 놀랐습니다. 즉, 먼 거리에서도 얽힌 쌍 중 하나의 광자를 측정하면 다른 광자의 특성에 영향을 줍니다. "그것은 마치 앨리스와 밥이 두 개의 광자를 찢으려 하지만 그들의 사랑은 여전히 지속됩니다."라고 샤름은 말했습니다. 즉, 얽힌 광자는 마치 공간에서 분리된 경우에도 단일 시스템의 두 부분인 것처럼 동작합니다. 실제 광자 검출기를 대표하는 앨리스와 밥은 다른 많은 얽힌 광자 쌍으로 이것을 반복하면 현상이 지속됩니다. 실제로 광자 검출기는 사람이 아니라 초전도 나노 와이어 단일 광자 검출기입니다. SNSPD는 "초전도성"이 될 때까지 냉각되는 금속 스트립으로 전기 저항을 잃습니다. 이 스트립에 닿는 광자는 일시적으로 다시 일반 금속으로 바뀌므로 스트립의 저항은 0에서 유한 값으로 점프합니다. 저항의 이러한 변화는 연구자들이 사건을 기록할 수 있도록 합니다. 이 실험을 실험실에서 수행하려면 광자가 광섬유를 통해 앨리스 및 밥 감지기로 전송될 때 광자가 손실되지 않도록 하는 것이 가장 큰 과제입니다. JPL과 니스트는 90 % 이상의 효율성과 낮은 "지터"또는 광자 도착 시간의 불확실성을 보여주는 세계 기록 성능을 갖춘 SNSPD를 개발했습니다. 이 실험은 SNSPD 없이는 불가능했을 것입니다. 이것이 유용한 이유는 이 실험의 설계는 난수 생성을 포함하므로 정보와 통신을 안전하게 만드는 암호화에 잠재적으로 사용될 수 있습니다. 샤름은 "세상이 어떻게 구성되었는지에 대해 깊이 알려주는 동일한 실험은 정보를 안전하게 유지해야 하는 이러한 응용 프로그램에도 사용할 수 있습니다."라고 말했습니다. 암호화는 이 연구의 유일한 응용 프로그램이 아닙니다. JPL과 니스트가 구축 한 실험에 사용된 것과 유사한 감지기는 궁극적으로 심 우주 광통신에도 사용될 수 있습니다. 신호 도착 시간에 대한 높은 효율성과 낮은 불확실성을 가진이 감지기는 광학 스펙트럼에서 빛의 펄스로 정보를 전송하는 데 적합합니다. 마르실리는 "현재 우리는 무선 신호로 정보를 인코딩하는 태양계 주변의 우주선과 통신할 수 있는 깊은 장소 네트워크를 가지고 있습니다. 광 통신을 통해 해당 네트워크의 데이터 속도를 10 배에서 100 배까지 높일 수 있습니다."라고 마르실리는 말했습니다. 마르실 리의 실험에서 탐지기와 유사한 기술을 사용하는 심 우주 광통신은 2013 년 10 월부터 2014 년 4 월까지 달을 공전 한 나사의 달 대기 먼지 및 환경 탐험가 임무로 시연되었습니다. 달 레이저 통신 데모라는 기술 임무는 라디 및 지상의 구성 요소, 레이저 펄스로 인코딩 된 다운 링크 데이터, SNSPD 기반 지상 수신기 사용입니다. 나사의 장소 기술적 미션 부서는 LCRD 임무를 수행하고 있습니다. 이 임무는 레이저를 사용하여 오늘날의 가장 빠른 무선 주파수 시스템보다 훨씬 적은 질량과 전력을 사용하여 10 ~ 100 배 더 빠른 속도로 데이터를 인코딩하고 전송함으로써 데이터, 비디오 및 기타 정보를 보내고 받는 방식을 혁신할 것을 제안합니다. "정보는 빛의 속도보다 더 빨리 이동할 수 없습니다. 아인슈타인이 옳았습니다. 그러나 광통신 연구를 통해 우리가 우주에서 보내는 정보의 양을 늘릴 수 있습니다."라고 마르실리는 말했습니다. "우리 실험의 검출기 가이 응용 프로그램을 가지고 있다는 사실은 두 가지 노력 사이에 큰 시너지를 창출합니다." 그래서 입자들 사이의 "사랑"에 대한 연구로 시작된 것은 우주와 지구 사이의 통신 혁신에 기여하고 있습니다. "사랑은 세상을 '돌아 가게 만든다'. 어떤 의미에서는 우리가 다른 세상에 대해 배우는 데 도움이 될 수 있습니다.