Conditional Motional Squeezing of an Optomechanical Oscillator Approaching the Quantum Regime

물리학의 세계에는 아주 작은 것을 지배하는 규칙과 우리가 일상에서 접하는 세상을 지배하는 규칙 사이에 근본적인 경계가 존재합니다. 원자와 아원자 입자의 규모에서 물체는 기묘하게 행동합니다. 물체는 동시에 여러 상태로 존재할 수 있으며, 그 특성은 고정된 값이 아닌 확률에 의해 정의되는 모호한 상태를 띱니다. 이것이 바로 양자 역학의 영역입니다. 반면, 우리가 보고 만지는 의자, 자동차, 사람과 같은 물체들은 고전 물리학의 예측 가능한 법칙을 따릅니다. 지난 한 세기 동안 과학자들은 이 두 세계 사이의 경계가 어디에 그려지는지 궁금해해 왔습니다. 왜 커다란 물체는 양자 입자처럼 행동하지 않는 것일까요? 이에 답하기 위해 연구자들은 점점 더 큰 물체를 양자 영역으로 밀어 넣어, 그들이 아주 작은 세계의 기묘한 규칙을 따르도록 강제하려 노력하고 있습니다. 이 노력의 핵심적인 부분은 '스퀴징(squeezing, 압착)' 기술인데, 이는 한 방향의 운동에 대한 자연스러운 모호함을 줄이는 대신 다른 방향의 모호함은 허용하는 기술입니다. 만약 과학자들이 큰 물체의 운동을 충분히 스퀴징할 수 있다면, 그 물체를 특별한 양자 상태로 준비할 수 있으며, 이는 중력과 양자 역학이 어떻게 상호작용하는지 테스트하는 새로운 방법을 제공할 것입니다.

연구팀은 이제 작지만 거시적인 기계적 물체의 운동을 성공적으로 스퀴징함으로써 이 목표를 향한 중요한 진전을 이루었습니다. 해당 물체는 갈륨 비소로 만들어진 미세한 다이빙 보드 형태의 캔틸레버(cantilever)로, 무게는 단 50나노그램에 불과합니다. 이 질량은 인간의 감각으로는 믿기지 않을 정도로 가볍지만, 보통 양자 실험에서 연구되는 원자들에 비하면 매우 거대한 질량입니다. 연구팀은 이 캔틸레버를 '고전적으로 스퀴징된(classically squeezed)' 상태, 즉 위치의 불확실성이 양자 물리학에 의해 허용되는 절대 최솟값인 영점 요동(zero-point fluctuation)보다 겨우 약간 높은 수준까지 감소한 상태로 준비하는 데 성공했습니다. 그들은 이 근본적인 한계치의 1.07배라는 최소 불확실성을 달성했습니다. 이 결과는 유사한 방법을 사용한 이전의 시도들보다 3개 차수(orders of magnitude)나 더 정밀하며, 정밀도 면에서 엄청난 도약을 의미합니다.

이 실험은 빛과 운동 사이의 영리한 상호작용에 의존했습니다. 연구자들은 진공 챔버 안에 이 작은 캔틸레버를 배치하고 레이저를 비추었습니다. 빛이 캔틸레버에 부딪혀 튕겨 나갈 때, 그 빛은 물체의 위치에 대한 정보를 실어 나릅니다. 이 빛을 매우 정밀하게 측정함으로써, 연구팀은 캔틸레버의 움직임을 실시간으로 추적할 수 있었습니다. 그러나 단순히 물체를 관찰하는 것만으로는 물체를 스퀴징할 수 없습니다. 측정을 하는 행위 자체가 물체에 충격을 주어 '역작용(back-action)'이라고 불리는 노이즈를 더하기 때문입니다. 이를 극복하기 위해 연구자들은 '조건부 상태 준비(conditional state preparation)'라는 기술을 사용했습니다. 그들은 측정 데이터를 컴퓨터 필터에 입력하여 과거의 거동을 바탕으로 캔틸레러의 위치를 예측했습니다. 이 예측을 사용하여 순수한 측정값만으로 알 수 있는 것보다 더 명확하게 물체의 상태를 이해함으로써, 그들은 효과적으로 한 가지 측면의 운동에서 노이즈를 '스퀴징'하여 제거할 수 있었습니다.

그들의 성공에서 결정적인 부분은 캔틸레버의 진동 속도와 비교했을 때의 측정 속도였습니다. 스퀴징이 작동하려면 정보를 수집하는 속도가 물체의 자연스러운 진동 주기를 따라잡을 수 있을 만큼 충분히 빨라야 합니다. 이 실험에서 측정 속도는 캔틸레버 공명 주파수의 약 54%였으며, 이 조건은 에너지가 위치와 운동량 사이에 균등하게 분배되는 일반적인 균형을 깨뜨릴 수 있게 해주었습니다. 대신, 그들은 위치 측정의 불확실성을 크게 억제하는 동시에 운동량 측정의 불확실성은 증가시켰는데, 이는 스퀴징된 상태의 특징인 트레이드오프(trade-off) 관계를 보여줍니다. 최종 결과는 위치 불확실성이 영점 수준의 1.07배로 감소한 반면, 운동량 불확서성은 거의 8배까지 증가했음을 보여주었으며, 이는 에너지가 더 이상 균등하게 공유되지 않음을 명확히 입증했습니다.

이러한 인상적인 성과에도 불구하고, 연구자들은 자신들이 아직 '양자 스퀴징(quantum squeezed)' 영역에 완전히 도달한 것은 아니라고 주의를 기울이고 있습니다. 그들의 상태는 '고전적으로 스퀴징된' 상태로 묘사되는데, 이는 에너지가 균등하게 분포된다는 고전적 규칙은 위반했지만, 완전한 양자 역학적 상태임을 확증할 수 있을 만큼 근본적인 양자 노이즈 바닥 아래로 내려가지는 않았기 때문입니다. 실험은 전자적 간섭과 레이저를 완벽하게 안정적으로 유지하는 것의 어려움 등 다양한 노이즈원에 의해 제한되었습니다. 연구팀은 예측 불가능하게 시간에 따라 변하는 비정상적 노이즈(non-stationary noise)가 데이터를 실시간으로 필터링하여 확정적인 양자 상태를 만드는 것을 방해했다는 점을 확인했습니다. 하지만 그들의 작업은 이 프로토콜이 실행 가능하다는 것을 증명했습니다. 측정 기반의 접근 방식이 거시적 물체를 매우 효과적으로 스퀴징할 수 있음을 보여줌으로써, 그들은 미래의 실험을 위한 길을 열었습니다. 노이즈를 줄이고 측정 효율을 높이는 추가적인 개선을 통해, 연구팀은 중력파 검출기에 사용되는 거대한 거울을 포함하여 더 큰 물체들을 진정한 양자 스퀴징 상태로 준비하는 것이 곧 가능해질 것이라고 믿고 있습니다. 이러한 진보는 양자 세계가 우리가 매일 경험하는 고전적 세계로 어떻게 전이되는지를 이해하는 데 한 걸음 더 다가가게 합니다.