광자는 정확히 무엇입니까?

[뽀야]

새로운 실험과 기술을 통해 물리학자들은 전례 없는 정밀도로 개별 광자를 제어할 수 있음을 보여주었습니다. 그러나 수수께끼 같은 기본 입자는 여전히 본색을 숨기고 있습니다.

광자는 가장 친숙한 기본 입자 일 수 있습니다.

빛의 속도로 이동하는 입자는 태양, 달, 별로부터 매일 우리를 공격합니다.

한 세기가 넘는 기간 동안 과학자와 엔지니어는 이를 종합적으로 활용하여 도시와 현재 스크린을 비추고 있습니다.

오늘날 연구원들은 그 어느 때보다 더 기교 있게 광자를 제어할 수 있습니다.

메릴랜드의 NIST(National Institute of Standards and Technology)에서 물리학자 Paulina Kuo는 광자를 개별적으로 생성하고 조작합니다.

Kuo는 실험실에서 레이저 광으로 맞춤 설계된 결정을 비추어 단일 광자로 더 분리할 수 있는 쌍둥이 광자를 생성합니다.

입자를 흡수하여 다양한 색상의 광자를 생성하는 특정 물질로 향하게하면 광자에 인코딩 된 정보를 보존하면서 광자의 색상을 효과적으로 변경할 수 있습니다.

예를 들어, 그녀는 입력 광자의 주파수를 두 배로 늘리는 수정을 설계하여 적색광과 적외선을 변환할 수 있도록 했습니다.

"두 개의 광자를 함께 융합하거나 하나의 광자를 두 개로 나눌 수 있습니다."라고 그녀는 말합니다.

"또는 더 높은 수준의 프로세스. 99개의 광자를 하나로 융합하거나 <>개의 광자를 <>개로 분할할 수 있습니다."

이러한 기술을 보완하기 위해 그녀는 단일 광자를 흡수할 때 비초전도가 되는 초전도 와이어로 만들어진 최첨단 단일 광자 검출기를 사용합니다.

이러한 유형의 검출기는 매우 정확한 카운트를 제공하여 최대 <>%의 효율로 광자를 검출합니다.

이 단일 광자 기술은 단일 광자 및 기타 양자 입자로 인코딩된 데이터를 전송하기 위해 제안된 글로벌 장치 네트워크인 미래 양자 인터넷의 중추를 형성할 것입니다.

이 데이터는 광자의 편광과 같은 입자의 양자 특성으로 표현됩니다.

0 또는 1로만 표현할 수 있는 기존 데이터와 달리 소위 양자 정보는 0과 1의 가중치 조합 값을 취하므로 새롭고 잠재적으로 더 강력한 계산 알고리즘과 새로운 암호화 프로토콜을 사용할 수 있습니다.

양자 인터넷에는 신호 손실 문제와 같은 엔지니어링 문제가 많다고 Kuo는 말합니다.

그러나 연구자들과 그들의 정부는 야심 찬 계획을 세웠습니다.

2016년 유럽 연합은 1억 유로 규모의 양자 기술 이니셔티브를 시작했습니다.

올해  미국은 양자 기술 개발을 가속화하기 위해 2016개의 양자 연구 센터를 설립했으며 향후 100년 동안 최대 2030억 <>,<>만 달러를 약속했습니다.

<>년 <>억 달러 규모의 중국 양자 기술 위성 발사와 후속 프로젝트를 주도한 물리학자 Pan Jian-Wei는 <>년까지 글로벌 양자 인터넷을 구축한다는 목표를 설명했습니다.

많은 전문가들은 단일 광자 기술의 현재 시대를 "두 번째 양자 혁명"이라고 불렀는데, 이는 과학자들이 양자 역학의 반 직관적 원리 (얽힘, 중첩 및 파동-입자 이중성)를 이해할뿐만 아니라 기술에서 활용할 수있는 패러다임 전환입니다. 광자는 더 이상 단순한 연구 대상이 아니라 도구입니다.

그렇다면 광자는 무엇입니까?

Kuo는 순환 응답을 제공합니다.

"광자는 단일 광자 분해 검출기에 의해 등록 된 클릭입니다."라고 그녀는 말합니다.

Kuo의 단어보다 모호한 단어가 광자를 설명하는 데 사용되었습니다.

그것은 파동과 빛의 입자이거나 전자기장의 양자화입니다. 또는 "닥치고 계산하라"는 양자 역학에 대해 의아해하는 사람이라면 누구에게나 친숙한 문구입니다.

"광자에 너무 많은 현실을 부여하면 문제가 발생할 수 있습니다."라고 NIST의 물리학 자 Alan Migdall은 말합니다.

"사람들은 100년 이상 그것에 대해 논쟁해 왔다"고 토론토 대학교의 물리학자 에프라임 스타인버그는 말한다.

"나는 우리가 합의에 도달했다고 생각하지 않는다."

물리학자들은 광자를 발견하자마자 광자에 대해 논쟁하기 시작했습니다.

입자를 생각한 바로 그 과학자들은 그것이 근본적으로 자연에 존재한다는 것에 회의적이었습니다.

1900년에 독일의 물리학자 막스 플랑크는 물체의 온도와 방출되는 방사선의 관계에 관한 혼란스러운 실험 데이터를 설명하기 위해 방사선이 이산량 또는 양자로 나온다고 제안했습니다.

광자의 개념이 탄생했습니다. 그러나 플랑크는 그의 생각의 심오함을 이해하지 못했습니다.

그는 나중에 자신의 돌파구를 "절망의 행동"이라고 묘사했는데, 이는 수학을 풀기 위한 근거 없는 속임수였습니다.

알버트 아인슈타인 역시 그가 발전시키는 데 도움을 준 광자 이론의 의미에 저항했습니다.

그는 특히 얽힘, 즉 두 입자가 서로 멀리 떨어져 있어도 서로 얽힌 운명을 가질 수 있다는 생각에 신경을 썼습니다.

예를 들어, 이 이론은 얽힌 쌍으로 한 광자의 편광을 측정하면 두 입자가 태양계의 반대쪽 끝으로 분리되어 있더라도 다른 광자의 편광도 즉시 알 수 있음을 암시합니다.

얽힘은 물체가 임의로 멀리 떨어진 곳에서 서로 영향을 미칠 수 있다고 제안했는데, 이를 비국소성(nonlocality)이라고 하며, 아인슈타인은 이를 "멀리서 으스스한 행동"이라고 조롱했습니다.

물체가 서로에게 영향을 미치기 위해 가까이 있어야하는 현실을 선호하는 그는 양자 역학 이론이 불완전하다고 믿었습니다.

"그것은 확실히 아인슈타인에게 소화 불량을 일으켰습니다."라고 Migdall은 말합니다.

수십 년 동안 광자에 대한 논쟁은 이러한 아이디어를 테스트하는 것이 기술적으로 불가능했기 때문에 사고 실험의 영역으로 크게 강등되었습니다.

Steinberg에 따르면 최근 단일 광자 소스와 검출기가 더 좋아지고 더 널리 접근 가능해짐에 따라 논쟁이 물리학 커뮤니티에 더 광범위하게 퍼졌습니다.

"우리는 슈뢰딩거의 고양이처럼 상상하는 대신 이러한 실험을 할 수 있습니다."라고 그는 말합니다.

예를 들어, 물리학 자들은 얽힘의 존재를 거의 확인했습니다. 벨의 불평등 테스트로 알려진 수십 년간의 실험은 이제 아인슈타인이 틀렸고 우리 우주가 비국소적이라는 것을 강력하게 나타냅니다.

이 테스트는 1964년 영국 물리학자 존 스튜어트 벨(John Stewart Bell)이 고안한 실험적 프레임워크를 기반으로 합니다. 이론적 연구에서 Bell은 얽힌 것으로 알려진 입자에 대한 측정을 반복하면 통계를 통해 광자가 실제로 서로 비국소적으로 영향을 미치는지 또는 일반적으로 "국소 숨겨진 변수"로 알려진 알려지지 않은 메커니즘이 멀리서 행동하는 환상을 생성하는지 여부를 밝힐 수 있음을 보여주었습니다.

실제로, 테스트는 두 개의 서로 다른 검출기에서 편광을 측정하기 위해 두 개의 서로 다른 경로를 따라 얽힌 광자 쌍을 분할하는 것을 주로 포함했습니다.

물리학자들은 1970년대부터 벨 테스트를 수행해 왔으며, 매사추세츠 공과대학(Massachusetts Institute of Technology)의 물리학자 데이비드 카이저(David Kaiser)가 설명했듯이 광자가 멀리서도 으스스하게 작용할 수 있음을 나타내는 모든 발표된 실험이 있습니다.

그러나 만장일치의 결과에도 불구하고 이러한 초기 실험은 결정적이지 않았습니다 : 기술 부족으로 인해 실험은 세 가지 잠재적 인 설계 제한 또는 허점으로 어려움을 겪었습니다.

지역 허점으로 알려진 첫 번째 허점은 두 개의 편광 감지기가 너무 가깝기 때문에 발생합니다.

이론적으로 한 검출기가 얽힌 광자가 방출되기 직전에 다른 검출기에 신호를 전달하여 국부적으로 측정 결과에 영향을 미칠 수 있었습니다.

공정한 샘플링 허점이라고 하는 두 번째 허점은 품질이 좋지 않은 단일 광자 검출기에서 비롯되었습니다.

전문가들은 탐지기가 광자의 편향된 하위 집합을 포착하여 통계를 왜곡할 수 있다고 주장했습니다.

Migdall은 이 허점을 막고자 하는 열망이 현재 양자 기술에서 일상적으로 사용되는 것과 동일한 더 나은 단일 광자 검출기의 개발을 주도했다고 말합니다.

세 번째 허점인 선택의 자유 허점은 편광 검출기의 설정과 관련이 있습니다.

많은 수의 편광 측정에 대해 진정으로 편향되지 않은 통계를 얻으려면 각 측정에 대해 편광 검출기의 방향을 무작위로 재설정해야 합니다. 연구자들이 초기 실험에서 손으로 검출기를 힘들게 재설정하기 때문에 무작위성을 보장하기는 어렵습니다.

Kaiser에 따르면 최근 실험은 한 번의 테스트에서 동시에 발생하지는 않지만 세 가지 허점을 모두 닫았습니다. 2015 년 델프트 공과 대학 (Delft University of Technology)의 물리학 자 로널드 핸슨 (Ronald Hanson)이 이끄는 팀은 광자가 아닌 얽힌 전자를 사용했지만 처음으로 공정한 샘플링 및 지역 허점을 닫는 벨 테스트를 수행했습니다.

2018년에 발표된 스페인 포토닉스 과학 연구소(Institute of Photonics Sciences)의 과학자 팀은 100,000명의 자원 봉사자에게 난수를 생성하는 비디오 게임을 하도록 청구했으며, 과학자들은 선택의 자유 허점을 제한하기 위해 Bell 테스트 감지기를 설정하는 데 사용했습니다.

Kaiser는 2018년에 발표된 "Cosmic Bell Test"라는 또 다른 실험을 수행했는데, 이 실험은 각각 600광년과 1,900광년 떨어진 두 별에서 방출되는 빛의 주파수를 기반으로 난수 생성기를 사용하여 편광 검출기 방향을 설정하여 지역 허점을 닫고 선택의 자유 허점을 엄격하게 제한했습니다.

결과는 얽힘의 비국소성을 강력하게 뒷받침합니다.

"아인슈타인이 양자 역학에 대해 가졌던 소화 불량 - 그가 오늘날 주변에 있었다면, 당신은 그가 그것을 다루어야한다고 말할 것입니다."라고 Migdall은 말합니다.

오하이오 주립 대학의 물리학자 알렉산드라 랜즈먼(Alexandra Landsman)은 광자를 "에너지의 양자"로 묘사하는데, 이는 물리학자들의 원래 입자 개념과 밀접하게 일치합니다.

1905년 논문에서 아인슈타인은 빛을 이른바 광전 효과를 설명하기 위해 주파수에 비례하는 이산 에너지 패킷으로 설명했습니다. 과학자들은 물질이 빛을 흡수하여 전자를 방출하지만 빛의 주파수가 일부 임계값보다 짧을 때만 관찰했습니다. 1921년 노벨상을 수상한 아인슈타인의 설명은 양자 이론의 발전을 시작하는 데 도움이 되었습니다.

새로운 레이저 기술을 통해 연구자들은 광전 효과를 더 자세히 재검토할 수 있게 되었습니다. 2001년에 발명된 아토초 레이저는 <>조 분의 <>초 미만의 빛 펄스를 전달하여 물리학자들이 기록적인 셔터 속도를 가진 카메라처럼 양자 규모의 동작을 관찰할 수 있도록 합니다.

특히, 물리학 자들은 광전 효과의 시간을 측정하기 위해 초고속 레이저를 사용하고 있습니다 : 광자가 원자 나 분자에 충돌하면 전자가 방출되는 데 얼마나 걸립니까?

"과거 사람들은이 과정이 즉각적으로 일어난다 고 생각했습니다."라고 Landsman은 말합니다.

"이 문제를 실험적으로 해결할 방법이 없었습니다."

2010 년 비엔나 공과 대학의 물리학 자 Ferenc Krausz가 이끄는 팀은 원자에서 전자가 방출되는 데 시간이 걸린다는 실험을 수행했습니다.

그들은 절대 시간을 측정하지 않았지만 전자가 네온 원자의 20s 궤도에 비해 2p 궤도에서 떠나는 데 약 2 아토초가 더 걸린다는 것을 식별 할 수있었습니다.

다른 그룹의 후속 실험은 물과 아산화 질소와 같은 분자에서 전자 방출 시간을 측정했습니다.

이론가인 Landsman은 전자가 특정 분자를 다른 분자보다 빨리 떠나는 이유를 이해하기 위해 노력하고 있습니다. 예를 들어, 일부 분자는 전자가 정상파를 형성하도록 전자를 공간에 가둡니다.

형상 공명으로 알려진 이 상태는 일시적으로 전자를 가두어 탈출 속도를 늦춥니다. 궁극적으로 Landsman은 원자와 분자가 전자를 방출하는 것을 지연시키는 모든 요인을 광자와 전자가 서로 만나는 시간에 대해 제로로 밝히기를 원합니다. "이 실험은 광자가 전자와 어떻게 상호 작용하는지에 대한 더 많은 통찰력을 제공합니다."라고 그녀는 말합니다.

그러나 Zlatko Minev는 광자가 에너지의 양자라고 생각하지 않습니다.

IBM의 물리학자인 Minev는 양자 컴퓨터를 구축하는 방법을 연구합니다. 이 새로운 기술적 맥락에서 광자는 다르게 나타나는 것 같다고 그는 말합니다.

Minev는 양자 컴퓨터의 구성 요소인 큐비트로 사용할 수 있는 초전도 와이어로 만들어진 회로에 대한 실험을 실행합니다.

이 회로는 지정된 에너지의 단일 광자를 흡수하도록 설계되었으며, 광자의 흡수는 양자 컴퓨터에서 1 상태를 나타낼 수 있습니다. 큐비트가 하나의 광자를 흡수하면 응답이 변경되어 더 이상 해당 에너지의 광자를 흡수하지 않습니다.

광자를 "에너지의 양자"로 보는 기존의 아이디어는 이러한 회로에 맞지 않는다고 시스템을 양자 비선형 발진기라고 부르는 Minev는 말합니다.

"오실레이터에 두 개의 광자가 있다는 것이 무엇을 의미하는지 물어볼 수 있습니다. 두 단위의 에너지입니까?" 라고 그는 말합니다.

"이 경우 발진기의 각 추가 광자는 실제로 다른 양의 에너지를 가지고 있기 때문에 그렇지 않습니다. 이 경우 에너지는 광자를 정의하지 않습니다."

그렇다면 그는 광자를 어떻게 묘사합니까?

"한 문장으로 대답 할 수 있을지 모르겠습니다."라고 Minev는 말합니다.

"나는 현재 내 자신의 이해를 재평가하고있다." 현재 그는 광자가 "작용의 양자"라고 생각하며, 여기서 "작용"은 그의 시스템의 허용된 행동을 설명하는 추상적인 양을 나타냅니다.

물리학자들이 기초를 재평가함에 따라 이 새로운 실험은 기초 과학과 응용 사이의 연관성을 조명합니다.

Kuo의 양자 인터넷 기술은 Bell 얽힘 테스트에 사용된 하드웨어와 조상을 공유합니다.

비선형 발진기에 대한 Minev의 연구는 양자 컴퓨터의 오류를 수정하는 방법을 개발하는 데 도움이 됩니다.

분자의 광전 효과에 대한 Landsman의 연구는 전자적 특성에 대한 단서를 밝힐 수 있으며, 이는 결국 과학자들에게 원하는 사양의 재료를 설계할 수 있는 새로운 길을 제공할 수 있습니다.

Migdall은 연구자들이 얽힌 입자를 이용하는 난수 생성기의 새로운 모델에서 무작위성을 확인하기 위해 Bell 테스트를 사용한다고 말합니다.

그러나 광자의 진정한 본질은 물리학 자들을 피합니다.

"1951 년 동안의 의식적인 숙고는 나를 질문에 대한 답에 더 가까이 데려 오지 못했습니다 : 가벼운 양자는 무엇입니까?"

아인슈타인은 <>년 편지에서 이렇게 썼습니다.

"물론 오늘날 모든 악당은 자신이 답을 알고 있다고 생각하지만 자신을 속이고 있습니다."

그는 얽힘에 대해 틀렸을지 모르지만 70년이 지난 후에도 그 감정은 여전히 유효합니다.