Measuring the spin of a spin-1/2 and getting a result of 7

거의 한 세기 동안, 물리학자들은 양자 세계의 기묘한 규칙 하나와 씨름해 왔습니다. 그것은 바로 무언가를 측정하는 행위가 필연적으로 그것을 변화시킨다는 것입니다. 표준적인 관점에서 입자의 위치나 스핀이 어떻게 되어 있는지 알아내려면, 입자와 충분히 강하게 상호작용하여 확정적인 답을 강요해야 합니다. 이러한 상호작용은 대개 입자를 툭 치게 되어, 그 상태를 뒤섞어 버리고 측정 전의 상태가 어떠했는지 알 수 없게 만듭니다. 그러나 1980년대 후반, 다른 접근 방식이 등장했습니다. 만약 측정이 매우 부드럽게—시스템을 거의 방해하지 않을 정도로 아주 부드럽게—이루어지고, 그 후에 시스템의 최종 상태에 대해 매우 구체적이고도 일어날 법하지 않은 확인 과정을 거친다면, 이상한 일이 일어날 수 있다는 제안이었습니다. 이 부드러운 측정들의 평균 결과는 불가능해 보이는 수준까지 증폭될 수 있으며, 측정된 속성이 정상적으로 가질 수 있는 값의 범위를 훨씬 벗어난 숫자를 만들어낼 수 있습니다. '약한 값 증폭(weak value amplification)'이라고 알려진 이 현상은, 초기 시스템의 상태와, 초기 상태와 거의 비슷하지만 완전히 일치하지는 않는 최종 상태 사이의 섬세한 간섭에 의존합니다. 이 효과는 파동이 쉽게 겹치고 간섭하는 빛을 통해서는 여러 차례 관찰되었지만, 원자는 긴 거리에서 결맞는 파동과 같은 상태를 유지하기가 훨씬 더 어렵기 때문에 물질을 통해서는 실현하기 까다로운 과제로 남아 있었습니다.

토론토 대학교의 연구팀은 수십 년 전 처음 제안된 프로포절을 실제로 구현함으로써, 이 어려운 실험을 원자를 사용하여 성공적으로 수행했습니다. 연구진은 루비듐 원자 구름을 매우 낮은 온도로 냉각하여 '보스-아인슈타인 응축물'이라 불리는 단일 양자 객체를 형성시켰습니다. 이 상태에서 원자들은 개별 입자가 아닌 하나의 거대한 파동처럼 행동합니다. 연구진은 이 원자들의 '스핀', 즉 이들의 고유한 자기 방향을 설명하는 성질을 측정하고자 했습니다. 일반적인 실험에서 스핀을 측정한다면, 강한 자기장을 가해 한쪽 스핀 방향의 원자는 한 방향으로, 반대 방향의 원자는 다른 방향으로 밀어내어 두 개의 뚜렷하고 분리된 집단을 만들 것입니다. 그러나 연구진은 '약한' 측정을 수행하고자 했습니다. 그들은 자기 경사(magnetic gradient)를 매우 부드럽게 적용하여, 두 스핀 집단이 서로 다른 지점으로 분리되지 않고 대신 그들의 파동과 같은 경로가 서로 겹치고 간섭하도록 만들었습니다.

증폭 효과를 관찰하기 위해 연구팀은 직관에 반하는 것처럼 보이는 최종 단계를 수행해야 했습니다. 부드러운 밀림(push) 이후, 연구진은 시작할 때의 상태와 거의 비슷하지만 완벽하게 일치하지는 않는 특정 최종 상태에 도달한 원자들만을 선택했습니다. 이 최종 상태는 발생할 확률이 매우 낮았기 때문에, 시작 조건과 종료 조건 사이의 중첩은 극히 작았습니다. 약한 값 이론에 따르면, 이 미세한 중첩은 측정된 효과를 엄청나게 크게 보이게 만드는 분모 역할을 합니다. 연구진은 이러한 희귀한 선택 과정을 통해, 자기장으로부터 원자들이 받은 미세한 운동량 충격이 14배로 증폭되는 것을 발견했습니다. 이 선택 과정을 통과한 생존 원자들은 약 8 마이크로미터 매 초(μm/s)의 유효 속도 변화를 보였는데, 이는 직접 감지하기에는 믿기 힘들 정도로 작은 속도입니다. 그럼에도 불구하고, 증폭을 통해 이 스핀은 마치 7이라는 값을 가진 것처럼 측정되었습니다. 단일 원자의 스핀은 오직 플러스 또는 마이너스 1/2의 값만 가질 수 있음에도 말입니다.

이 실험은 이 증폭이 수학적 트릭이 아니라, 초기 측정의 '약함'에 의존하는 실제 물리적 효과임을 입증했습니다. 연구진이 자기장의 밀림 강도를 높여 측정을 덜 약하게 만들었을 때, 증폭 효과는 줄어들었고 결과는 정상 범위로 돌아왔습니다. 이는 기묘하고 큰 숫자들이 부드러운 상호작용과 일어나기 힘든 최종 선택 사이의 섬세한 균형에서 비롯된 직접적인 결과임을 확인시켜 주었습니다. 또한 연구진은 원자들이 명확하게 간섭할 수 있는 상태에 있을 때 효과가 가장 두드러졌다는 점에 주목했는데, 이는 빛보다 물질에서 훨씬 달성하기 어려운 조건입니다. 정교하게 준비되고 냉각된 원자 구 clouds를 사용함으로써, 그들은 필요한 결맞음(coherence)을 유지할 수 있었습니다.

이 연구는 진정한 연속적 탐침(continuous probe)을 가진 입자의 스핀을 사용하여 이러한 이례적인 약한 값을 측정한 최초의 사례이며, 원자를 이용해 이 효과를 관찰한 첫 번째 사례이기도 합니다. 연구진은 물질파(matter waves)가 매우 짧은 거리에서 결맞음을 잃는 경향이 있음에도 불구하고, 이러한 증폭된 신호를 관찰하는 것이 가능하다는 것을 보여주었습니다. 미세한 운동량 충격을 이처럼 큰 인자로 증폭할 수 있는 능력은 극도로 작은 힘이나 자기장을 측정하는 새로운 길을 열어줍니다. 현재의 실험은 희귀한 효과를 보여주는 원자들을 찾아내기 위해 대부분의 원자를 걸러내는 정밀한 필터링을 필요로 했지만, 이번 성공은 이 기술이 실용적임을 입증했습니다. 향후 연구는 이 방법을 개선하여 센싱 응용 분야에 더 실용적으로 적용할 수 있게 할 것이며, 잠재적으로 현재 노이즈 속에 숨겨져 있는 미세한 자기 신호를 감지할 수 있게 할 것입니다. 이 연구는 빛에 국한된 것으로 생각되었던 양자 역학의 기묘한 예측들이 원자라는 실체적인 세계에서도 생생하게 구현될 수 있음을 보여주는 구체적인 증거입니다.