ETH 취리히, 양자 스퀴징으로 기계적 변환기의 영점 잡음 한계 돌파

기계적 변환기와 양자 잡음의 벽

중력파 검출부터 단일 화학 결합 이미징까지, 기계적 변환기는 주변의 미세한 운동을 전기 신호로 바꿔 물리학의 경계를 확장해 왔다. 그러나 이 기술에는 근본적인 장벽이 존재한다. 하이젠베르크 불확정성 원리에 따르면 어떤 물체도 완전히 고립된 상태에서조차 위치와 운동량을 동시에 정확히 알 수 없으며, 그 결과 물체는 '영점 잡음(zero-point noise)'이라 불리는 피할 수 없는 떨림을 갖는다. 기존의 측정 방식은 이 한계를 우회하는 방법을 찾지 못했다.

불확정성 재분배: 스퀴징 프로토콜

노보트니 연구팀은 이 문제를 '스퀴징(squeezing)'이라는 양자 현상으로 접근했다. 불확정성 원리는 위치 불확정성과 운동량 불확정성의 곱이 일정 최솟값 이상이어야 한다고 요구할 뿐, 두 값이 같을 필요는 없다. 이를 활용하면 한쪽의 불확정성을 줄이는 대신 다른 쪽을 늘리는 방식으로 불확정성을 재분배할 수 있다.

실험에서 연구팀은 직경 100나노미터의 실리카 입자를 초고진공 챔버 안에 레이저 빔으로 부양시키고 절대영도 근처까지 냉각했다. 이후 레이저 트랩을 일시적으로 약화시켜 운동량 불확정성을 줄이고 위치 불확정성을 증가시킨 상태를 만들었다. 그 상태에서 짧은 전기 펄스로 입자에 모의 충격을 가한 뒤 트랩을 원상복구하고 스퀴징을 역전시켰다. 이 역스퀴징(anti-squeezing) 단계가 충격의 효과를 증폭시켜 양자 잡음 수준 위로 끌어올리는 역할을 한다.

단일 측정으로 영점 요동 이하 힘 감지

기존 방식으로는 충격을 검출하기 위해 수백 회의 반복 측정을 평균 내야 했다. 스퀴징 프로토콜을 적용하자 단 한 번의 측정만으로 입자 자체의 영점 요동보다 작은 힘을 분해해 낼 수 있었다. 논문의 저자인 Martynas Skrabulis 등은 이 결과를 Physical Review Letters(DOI: 10.1103/9wzm-3qyb)에 발표했다.

잠재적 응용과 한계

연구팀은 이 기술이 현재까지 검출에 실패한 신호, 예컨대 암흑물질 입자와의 충돌이나 핵붕괴 과정에서 방출되는 특이 입자 탐색에 활용될 수 있다고 본다. 기술의 감도는 달성 가능한 스퀴징의 정도에만 의존하기 때문에 개선 여지도 남아 있다.

다만 현 단계에서 해당 방식은 고도로 통제된 극저온·초고진공 환경에서만 구현되며, 실용적인 센서로 이어지기까지는 환경 잡음 차폐, 시스템 소형화 등 여러 공학적 과제가 남아 있다. 또한 운동량 불확정성을 줄이는 대신 위치 불확정성이 커지는 트레이드오프 관계는 특정 측정 목적에 따라 활용 범위를 제한할 수 있다.