불특정 입자성에 대한 반론으로 빛의 파동성 입증
연구 결과 네이처 자매지 ‘사이언티픽 리포트’ 게재

함병승 광주과학기술원(GIST) 전기전자컴퓨터공학부 교수. (사진=GIST 제공).
함병승 광주과학기술원(GIST) 전기전자컴퓨터공학부 교수. (사진=GIST 제공).

함병승 광주과학기술원(GIST‧총장 김기선) 전기전자컴퓨터공학부 교수가 양자역학 핵심이론인 빛의 양자성(비고전성)에 있어 불특정 입자성에 대한 반론으로 빛의 파동성을 입증했다.

7일 GIST에 따르면 이번 연구 결과는 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트에 지난달 30일 온라인 게재됐다.

빛의 양자성은 빛이 입자성과 파동성을 동시에 가지고 있다는 의미다. 입자성이란 하나의 물질로서 다른 물질에 충돌하면 충돌된 물질을 움직이게 하는 운동에너지를 갖고 있다는 것이고, 파동성이란 빛의 에너지가 마치 물결처럼 일정한 굴곡을 형성하고 있어 그 파장으로 인해 여러 가지 색깔을 나타내고 있다는 것이다.

기존 양자역학의 주류이론인 ‘빛의 비고전화’에서 빛은 알갱이, 즉 특정 위상정보를 갖지 않는 입자로 이해됐다.

그러나 함 교수는 빛의 파동성(위상정보)이 빛의 비고전성(양자성)을 결정짓는 핵심원리가 됨을 입증해 미시세계에 국한된 양자역학을 거시세계로 확장할 수 있는 실마리를 제공했다.

함 교수는 빛의 반상관성이 단순히 태양빛과 같은 불특정 입자쌍으로 구성된 광자쌍에서 나타나는 현상이 아니라, 광자쌍이 특정한 위상관계를 가질 때 발현될 수 있음을 이론적으로 증명해 빛의 양자성은 빛의 파동성에 그 핵심원리가 있음을 제시했다.

GIST는 이번 연구가 약 100년 전 양자역학 태동기에 등장한 보어, 쉬뢰딩거, 아인슈타인 등을 중심으로 한 일명 '코펜하겐 해석'을 재점화하는 기폭제가 될 것으로 기대하고 있다.

함 교수는 “빛의 파동성은 레이저나 광통신 등 거시적 현상을 대표하는 고전역학과 다르지 않고 거시상태에서도 빛의 양자성이 가능하게 됨을 예언하게 되는 것”이라며 “향후 기존 양자역학의 지평을 넓히는 데 기여할 것으로 기대된다”고 전했다.

한편, 함 교수는 후속 연구로 광통신과 호환 가능한 무조건적으로 안전한 고전암호통신 방법과 현재 양자기술로 불가능한 고차 양자 상태 구현에 관한 이론 논문을 제출한 상태다.

빛가르개에 입사하는 두 개 서로다른 빛 사이의 2차 세기상관관계 구성도. a. 2차 세기상관성을 측정하는 빛가르개를 이용한 구도. b. 계산결과로써 반상관성(g(2)=0)은 특정 위상차에서만 발생하므로 빛의 불특정 입자성은 빛의 비고전성을 나타내는 반상관성에 있어 무의미함. (사진=GIST 제공).
빛가르개에 입사하는 두 개 서로다른 빛 사이의 2차 세기상관관계 구성도. a. 2차 세기상관성을 측정하는 빛가르개를 이용한 구도. b. 계산결과로써 반상관성(g(2)=0)은 특정 위상차에서만 발생하므로 빛의 불특정 입자성은 빛의 비고전성을 나타내는 반상관성에 있어 무의미함. (사진=GIST 제공).
빛의 반상관성(양자성)을 구현하는 전형적 마하젠더 간섭계. a. 그림 1의 빛 가르개에 있어 반상관성을 충족하는 특정위상을 자연적으로 제공하는 마하젠더 간섭계. b. 계산결과로써 반상관성(양자성)과 상관성(고전성)은 위상차에 관계될 뿐 입력빛의 입자성과 무관하므로 빛의 거시양자성에 적용가능함. (사진=GIST 제공).
빛의 반상관성(양자성)을 구현하는 전형적 마하젠더 간섭계. a. 그림 1의 빛 가르개에 있어 반상관성을 충족하는 특정위상을 자연적으로 제공하는 마하젠더 간섭계. b. 계산결과로써 반상관성(양자성)과 상관성(고전성)은 위상차에 관계될 뿐 입력빛의 입자성과 무관하므로 빛의 거시양자성에 적용가능함. (사진=GIST 제공).