양자역학을 이용한 새로운 시간 측정 방식

시간 측정의 역사는 5,000여 년 전 고대 이집트와 바빌론에서 해시계와 모래시계가 발명되면서 시작되었다고 알려져 있다. 디지털시계와 1억 년에 단 1초의 오차도 없는 세슘 원자시계의 개발 등 수년에 걸쳐 시간 측정 분야가 크게 발전했지만, 이러한 장치의 기본 작동 원리는 해시계와 동일하게 유지되고 있다.

그러나 최근 '피지컬 리뷰 리서치' 저널에 발표된 논문은 이전 시계와는 다른 새로운 시간 측정 장치가 등장했다. 이 새로운 시계는 양자역학의 원리를 기반으로 하며 'Time Zero'가 없어 새로운 차원의 시간 계산 방법을 소개하고 있다. 기존의 시간 측정은 미리 정의된 사이클을 완료하는 데 걸리는 시간 또는 두 간격 사이의 간격을 측정하는 방식으로 작동하는 것으로 진자의 전체 흔들림 동작 또는 트랙에서 달리는 사람의 시작 위치와 결승점 사이의 경과 시간을 포함하고 있는 원리이다. 이 접근 방식은 대부분의 실용적인 목적에 최적화되어 있었다. 이에 스웨덴 웁살라 대학교와 에스토니아 타르투 대학교의 연구자들은 기존 방식과는 완전히 다른 시간 측정 방법에 대한 연구를 진행하였다. 이들의 목표는 일반적으로 "Time Zero"로 알려진 초기 기준점이 필요 없는 시계를 개발하는 것이었다. 이 연구를 수행하기 위해 연구진은 원자의 전자가 핵에서 멀리 밀려난 상태인 리드버그 상태의 원자에 주목하였고,  이 고에너지 상태는 레이저의 도움으로 만들어 활용할 수 있었다.

연구진은 이러한 리드버그 원자를 조작하여 양자역학의 원리에 따라 작동하는 시계를 만들었는데 이는 특정 시점을 기준으로 시간을 측정하는 기존 시계와 달리 양자 시계는 "Time Zero"를 기준으로 할 필요 없이 시간을 연속적인 흐름으로 측정이 가능하였다. 양자 시계는 시간을 측정하기 위해 양자역학에서 먼 거리에 떨어져 있어도 두 입자가 서로 연결되어 있음을 설명하는 개념인 얽힘 현상을 사용하였고 이를 통해 시간의 흐름을 정확하게 측정할 수 있었다. 이전 연구에서는 같은 공간에 있는 여러 개의 리드버그 에너지 원자가 양자 풀내에서 파문 패턴을 일으키는 간섭을 일으킨다는 사실을 알아내었고 같은 공간에서 충분히 많은 수의 원자가 반응을 하면서 각 원자가 진화하는 데 걸린 시간을 주변의 다른 원자와 비교하여 나타내는 고유한 진화 패턴이 생성된다. 

An ultrashort XUV pulse, shown in purple, with center energy close to the ionization threshold, is used for creating a coherent superposition of Rydberg states. Subsequently, an ultrashort NIR laser pulse, shown in red, ionizes the excited atom, resulting in photoelectrons with a kinetic energy of E[kin]. (CREDIT: Physical Review Research

실험 과정에서 물리학자들은 헬륨 원자를 여기시키기 위해 레이저를 사용하였고 다른 레이저는 짧은 자외선 펄스를 방출하여 리드버그 상태 원자의 스펙트럼을 측정했다. 그 결과 탄생한 시간 측정 장치는 81피코초(1조분의 1초)의 짧은 시간을 8 펨토초(4조 분의 1초) 이하의 오차 범위로 측정할 수 있었다. 이 장치는 시간 단위를 세는 대신 간섭 구조에서 시간을 추론하여 시간을 표시하므로 매우 독창적인 시간 측정 방법 중 하나이다.

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The proportion of experimental slices, with different lengths, that were assigned a correct time delay when compared to a 10 ns simulated range. (b) The difference between QUBS-time and DS-time for 24 slices that are 2 ps long, with starting point given by the horizontal axis. (CREDIT: Physical Review Research)

연구진의 연구에 따르면, 고도로 여기된 리드버그 상태의 앙상블로 인한 진동은 웨이브 패킷의 수명 내내 반복되지 않는 독특한 간섭 패턴을 생성한다고 하였고 "이러한 현상을 통해 웨이브 패킷이 형성된 후 얼마나 많은 시간이 지났는지 확인할 수 있으며 측정된 시간이 정확한지 확인할 수 있습니다."라고 설명했다. 또한 연구진은 "다른 시계와 달리 이 양자 시계는 카운터를 사용하지 않으며 완전히 양자 기계적인 특성을 가지고 있다"라고 설명하고 있다. 시간 측정에 대한 이 혁신적인 접근 방식은 물리학, 특히 양자 역학적 시스템 프로세스에서 아무 정말한 정확도를 필요로 하는 분야에 다양하게 응용될 수 있을 것으로 내다보았다.