Nonclassicality as a Quantifiable Resource for Quantum Metrology /

우리 학부의 권혁준 박사, Kok Chuan Tan 박사, Tyler Volkof 박사(건국대), 정현석 교수는 양자역학적 비고전성의 실용적 의미 및 정량화 방법을 밝혔다.

양자역학에 따르면 어떠한 상태로 존재하는 물리계들은 고전 물리학을 사용하여 근사적으로도 설명이 불가능한 성질들을 가진다. 이러한 대표적인 성질 중 하나는 빛의 양자 이론에 대한 공로로 노벨상을 수상한 로이 글라우버 등에 의해 1960년대에 제안되었다. 흔히 ‘비고전성’라고 불리는 이 성질은 양자역학적 유사확률함수가 0보다 작은 음의 값을 가지는 성질이다. 일반적인 의미에서 어떤 일이 일어날 가능성을 의미하는 확률이라는 개념은 결코 0보다 작은 값을 가질 수 없다. 따라서 고전적인 확률함수 또한 음의 값 부분이 존재할 수 없다. 그러나 양자역학적 이론 체계에 따라 정의되는 유사확률함수는 특정한 양자 상태들에 대해 음의 값을 보여주는데, 이러한 상태들은 일반적으로 고전 물리학으로는 설명이 불가능한 상태들이다. 이러한 ‘비고전성’의 개념은 학계에서 널리 받아들여져 왔다. 그러나 비고전성을 가진 상태들이 구체적으로 어떤 실용적 의미를 가지는지에 대해서는 정확히 알려지지 않았다.

이번 연구를 통해서 상태의 비고전성은 양자 계측의 자원이라는 실용적 의미를 가진다는 사실을 밝혀냈다. 일반적인 의미에서 비고전성을 가진 상태들이 고전적인 정보기술의 한계를 뛰어넘을 수 있는 양자통신, 양자 전산, 양자 계측 등의 자원이 될 수 있다는 가능성에 대해서는 알려져 있었다. 그러나 양자역학적 비고전성이 정확하게 그리고 구체적으로 어떤 응용 분야와 관계를 가지고 있는지에 대해서는 알려져 있지 않았다. 이번 연구를 통해 오랫동안 알려져 왔던 비고전성이라는 개념이 직접적으로 곧 양자 계측의 유용성을 의미한다는 것을 엄밀한 증명을 통해 밝혀냈다. 양자 계측은 고전적인 방법으로 감지하기 어려운 지극히 작은 신호를 감지해 내는 기술이며, 중력파의 측정 등에 응용될 수 있다. 비고전성이 곧 이러한 양자 계측에의 유용성을 의미한다는 사실을 새롭게 밝혀냄으로 양자역학 이론의 주요 개념과 실용적 응용 사이를 연결하였다.

또한 양자 계측에의 유용성에 근거하여 양자 상태가 가진 비고전성을 엄밀하게 정량화할 수 있게 되었다. 양자역학적 유사확률함수에 근거한 비고전성 유무의 판별은 널리 알려져 있었지만 비고전성의 정량화에 대해서는 명확하고 통일된 척도가 없었다. 이번 연구를 통해 실용적 의미를 가진 엄밀한 정량화 척도를 양자 계측에 활용되는 변수의 분산(variance)을 최적화하는 방법으로 정의하였다. 이를 통해 양자 상태들이 가진 비고전성을 정량적으로 비교할 수 있게 되었으며, 양자 상태의 계측을 위한 자원으로서의 가치를 엄밀하게 정량화할 수 있게 되었다.


저자: Hyukjoon Kwon(서울대), Tan Kok Chuan(서울대), Tyler Volkof(건국대), Hyunseok Jeong(서울대)

Phys. Rev. Lett. 122, 040503 (2019)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.040503