거시양자제어연구단(단장 정현석 교수)의 이창우 박사와 정현석 교수는 양자 중첩을 정량화할 수 있는 일반적이고 효율적인 척도를 제시했다.

미시적인 세계에서 잘 맞는다고 알려진 양자역학이 거시적인 세계에도 적용되는지를 실험적으로 명확히 밝히기 위해 물리학자들은 보다 큰 규모의 물리계를 양자 중첩 상태로 만들려는 노력을 계속해 왔으며 이러한 상태를 거시적 양자 중첩상태라고 부른다. 그러나 실험적으로 구현된 양자 중첩이 얼마나 많이 거시적 양자 중첩의 성질을 가지고 있는지 수치적으로 정량화하는 것은 매우 어려운 문제로 여겨져 왔는데, 이는 양자 중첩의 물리적 “크기"와 함께 양자 중첩의 “정도”를 동시에 정량화하는 것이 쉽지 않기 때문이었다. A. J. Leggett, J. I. Cirac, M. Reid를 포함한 여러 연구자들이 이러한 시도를 해 왔지만 그들이 제안한 척도들은 특정 상태에만 적용할 수 있는 등의 명백한 한계를 가지고 있었다. 2002년 Leggett이 지적한대로 “무엇이 슈뢰딩거 고양이다움의 정확한 척도인가?”(What is the correct measure of ‘Schrodinger’s-cattiness’?)라는 질문에 대한 대답은 오랫동안 일반화하기 어려운 “개인적 취향의 문제”(a matter of personal taste)로 남아 있었다.

Physical Review Letters에 발표된 논문에서 정교수팀은 주어진 중첩상태가 양자역학적 위상 공간에서 나타내는 간섭 패턴을 수치화함으로써 양자 중첩의 크기와 정도를 동시에 효과적으로 정량화할 수 있음을 보였다. 양자역학적 위상공간은 양자역학의 불확정성 원리가 적용되는 추상적인 공간이다. 이 위상공간에서 거시적 양자 중첩상태들은 미시적 중첩상태에 비해 더 높은 진동수의 간섭 패턴을 보인다. 이박사와 정교수는 이 점에 착안하여 위상공간에서 나타나는 간섭패턴의 진동수와 진폭을 계산하여 양자 중첩의 크기를 일반적으로 정량화할 수 있음을 보였다.

이번 연구 결과를 통해 물리학자들은 양자역학의 중요한 현상인 양자 중첩을 수치적으로 정량화할 수 있는 효율적 도구를 가지게 되었으며, 양자역학을 거시적 규모에서 엄밀하게 검증하려는 목표에 한 걸음 더 다가섰다고 할 수 있다.