양자 제논 효과

섬네일|400px|측정 횟수가 증가할수록 파동 함수는 초기 형태를 유지하는 경향이 있다. 애니메이션에서 왼쪽은 파동 함수의 자유로운 시간 변화를 나타내며, 중앙 부분에서는 가끔 위치 측정에 의해 파동 함수가 9개 구역 중 하나로 국지화된다. 오른쪽은 매우 빈번한 일련의 측정으로 인해 양자 제논 효과가 발생한다.
양자역학에서 빈번한 측정은 양자 제논 효과(Quantum Zeno effect)를 유발하며, 이는 시스템의 초기 상태에서 벗어나는 전이를 감소시켜 시스템의 시간 변화를 늦춘다.

때때로 이 효과는 "시스템은 당신이 지켜보는 동안 변할 수 없다"고 해석되기도 한다. 알려진 초기 상태에서 시스템을 충분히 자주 측정함으로써 시스템의 변화를 "정지"시킬 수 있다. 그 이후 이 용어의 의미는 확장되어, 시간 변화가 측정뿐만 아니라 다양한 원인에 의해 억제될 수 있다는 보다 기술적인 정의로 이어졌다. 즉, 양자 제논 효과는 측정, 환경과의 상호작용, 확률 과정 등 다양한 요인에 의해 제공되는 양자 시스템에서 유니터리 시간 변화의 억제를 의미한다. 양자 제논 효과 연구의 결과로, 적절한 대칭성을 가진 충분히 강하고 빠른 일련의 펄스를 적용함으로써 시스템을 양자 결어긋남 환경에서 분리할 수 있음이 분명해졌다.

제논의 역설과의 비교는 바이디아나트 미스라(Baidyanath Misra)와 E. C. 조지 수다르샨(E. C. George Sudarshan)의 1977년 기사에서 비롯되었다. 이 이름은 제논의 화살 역설에 대한 유추에서 유래하는데, 이 역설은 비행 중인 화살이 어떤 순간에도 움직이는 것으로 보이지 않기 때문에 전혀 움직일 수 없다고 주장한다. 양자 제논 효과에서는 불안정한 상태가 지속적인 관찰 때문에 정지된 것처럼, 즉 '움직이지 않는' 것처럼 보인다.

환원 가설에 따르면, 각 측정은 파동 함수를 측정 기반의 고유 상태로 붕괴시킨다. 이 효과의 맥락에서 관찰은 기존의 어떤 의미에서든 관찰자가 필요 없이 단순히 입자의 흡수가 될 수 있다. 그러나 이 효과의 해석에 대한 논란이 있으며, 이는 미시적 대상과 거시적 대상 사이의 경계를 넘나드는 "측정 문제"라고 불리기도 한다.

이 효과와 관련된 또 다른 중요한 문제는 시간-에너지 불확정성 관계 (불확정성 원리의 일부)와 엄격하게 연결되어 있다. 측정 과정을 점점 더 자주 만들려면 측정 자체의 시간 지속 시간을 상응하게 줄여야 한다. 그러나 측정이 매우 짧은 시간 동안만 지속되어야 한다는 요구는 환원이 발생하는 상태의 에너지 확산이 점점 더 커진다는 것을 의미한다. 하지만 짧은 시간 동안의 지수적 감쇠 법칙으로부터의 편차는 에너지 확산의 역수와 결정적으로 관련되어 있어, 편차가 현저하게 나타나는 영역은 측정 과정의 지속 시간이 점점 짧아질수록 줄어든다. 이 두 가지 경쟁적인 요구 사항에 대한 명시적인 평가는 이러한 기본적인 사실을 고려하지 않고 제논 효과의 실제 발생 및 출현을 다루는 것이 부적절하다는 것을 보여준다.

(때로는 양자 제논 효과와 구별되지 않는) 밀접하게 관련된 효과는 시스템의 지속적인 환경과의 결합에 의해 시스템의 시간 변화가 영향을 받는 워치독 효과이다.

설명
불안정한 양자 시스템은 지수적 감쇠 법칙에서 짧은 시간 동안 벗어나는 현상을 나타낼 것으로 예측된다. 이 보편적인 현상으로 인해 이 비지수적 기간 동안 빈번한 측정이 시스템의 붕괴를 억제할 수 있다는 예측이 나왔는데, 이것이 양자 제논 효과의 한 형태이다. 이후 더 느리게 적용되는 측정도 붕괴 속도를 증가시킬 수 있다는 예측이 나왔으며, 이 현상은 양자 역제논 효과로 알려져 있다.

양자역학에서 언급된 상호작용은 그 결과가 고전역학의 관점에서 해석될 수 있기 때문에 "측정"이라고 불린다. 빈번한 측정은 전이를 방해한다. 이는 입자가 한 반공간에서 다른 반공간으로 전이하는 것일 수 있으며 (이는 시간-도착 문제에서 원자 현미경의 원자 거울에 사용될 수 있다), 광자가 도파관에서 한 모드에서 다른 모드로 전이하는 것일 수 있으며, 원자가 한 양자 상태에서 다른 상태로 전이하는 것일 수 있다. 이는 양자 컴퓨터에서 큐비트의 비간섭적 손실이 없는 부분 공간에서 큐비트가 손실된 상태로 전이하는 것일 수 있다. 이러한 의미에서 큐비트 보정을 위해서는 비간섭성이 이미 발생했는지 여부를 판단하는 것으로 충분하다. 이 모든 것을 제논 효과의 응용으로 볼 수 있다. 본질적으로 이 효과는 구별 가능한 양자 상태를 가진 시스템에서만 나타나며, 따라서 고전적 현상이나 거시적 물체에는 적용할 수 없다.

이 아이디어는 존 폰 노이만의 초기 저작인 양자역학의 수학적 기초에 내재되어 있으며, 특히 때때로 환원 가설이라고 불리는 규칙에 포함되어 있다. 이후 단일 시스템의 양자 제논 효과가 단일 시스템의 양자 상태의 불확정성과 동등하다는 것이 밝혀졌다.

역사
양자 시스템의 짧은 시간 변화의 특이한 성질과 측정에 대한 결과는 존 폰 노이만이 1932년에 출판한 그의 저서 양자역학의 수학적 기초에서 언급되었다. 양자역학의 이 측면은 1967년 베스코프(Beskow)와 닐손(Nilsson)이 수학적 계산을 통해 거품 상자 속 불안정한 입자가 붕괴하지 않을 것이라고 제안할 때까지 탐구되지 않았다.
1977년에 바이디아나트 미스라(Baidyanath Misra)와 E. C. 조지 수다르샨(E. C. George Sudarshan)은 이 양자 효과에 대한 수학적 분석을 제시하고 이를 제논의 화살 역설과 연결시킬 것을 제안했다. 엘레아의 제논의 이 역설은 날아가는 화살을 어떤 고정된 순간에 본다고 상상한다. 그 순간 화살은 정지해 있으며, 차지하고 있는 공간에 얼어붙어 있다.

지속적인 이론 연구에도 불구하고, 실험적 확증은 1990년에 이타노(Itano) 등이 쿡(Cook)이 제안한 아이디어를 불안정한 시스템 대신 진동 시스템을 연구하는 데 적용할 때까지 나타나지 않았다. 이타노는 갇힌 9Be+ 이온의 두 준위 사이에서 전이를 유도하는 동시에 하위 준위의 개체수에 비례하는 레이저 펄스의 흡수를 측정했다.

다양한 실현과 일반적인 정의

제논 효과를 역설로 다루는 것은 양자 붕괴 과정에만 국한되지 않는다. 일반적으로 제논 효과라는 용어는 다양한 전이에 적용되며, 때로는 이러한 전이가 단순한 "붕괴" (지수적이든 비지수적이든)와는 매우 다를 수 있다.

한 가지 실현은 어떤 공간 영역을 떠나는 물체(제논의 화살, 또는 모든 양자 입자)의 관찰을 의미한다. 20세기에는 어떤 영역 밖에서의 관찰을 통해 입자를 어떤 영역에 가두는 것(갇힘)이 비합리적이라고 여겨졌으며, 이는 양자역학의 불완전성을 나타내는 것으로 간주되었다. 심지어 2001년까지도 흡수에 의한 가둠은 역설로 간주되었다. 나중에 라만 산란 억제와 유사한 효과는 예상된 효과로 간주되었으며, 전혀 역설이 아니었다. 특정 파장에서의 광자 흡수, 광자 방출 (예를 들어 광섬유의 일부 모드에서 벗어난 광자), 심지어 입자가 어떤 영역으로 들어갈 때의 이완 등 이 모든 과정은 측정으로 해석될 수 있다. 이러한 측정은 전이를 억제하며, 과학 문헌에서는 이를 제논 효과라고 부른다.

이러한 모든 현상(양자 붕괴 억제의 원래 효과 포함)을 포괄하기 위해, 제논 효과는 어떤 상호작용에 의해 어떤 전이가 억제되는 현상들의 종류로 정의될 수 있다. 이 상호작용은 결과 상태를 '전이가 아직 일어나지 않았다'와 '전이가 이미 일어났다'는 용어로 해석할 수 있게 하거나, 시스템이 여전히 초기 상태에 있는지 확인하기 위해 거시적 장치로 시스템의 상태를 지속적으로 측정할 경우 '양자 시스템의 진화가 중단된다는 명제'로 해석할 수 있게 한다.

양자 시스템의 주기적 측정
어떤 측정 연산자의 고유 상태인 상태 에 있는 시스템을 생각해 보자. 자유 시간 변화 아래에서 이 시스템이 특정 확률로 상태 로 붕괴한다고 가정하자. 만약 각 측정 사이에 유한한 간격으로 주기적으로 측정이 이루어진다면, 각 측정에서 파동 함수는 측정 연산자의 고유 상태로 붕괴한다. 측정 사이에 시스템은 이 고유 상태에서 벗어나 상태 와 의 양자 중첩 상태로 변화한다. 중첩 상태가 측정될 때, 그것은 다시 붕괴하여 첫 번째 측정에서처럼 상태 로 돌아가거나 상태 로 전이한다. 그러나 매우 짧은 시간 후에 상태 로 붕괴할 확률은 에 비례한다. 왜냐하면 확률은 제곱 진폭에 비례하고 진폭은 선형적으로 행동하기 때문이다. 따라서 짧은 간격의 수가 많아지고 각 간격의 끝에서 측정이 이루어지는 극한에서는 로 전이할 확률이 0으로 수렴한다.

양자 결어긋남 이론에 따르면, 시스템의 측정은 일방적인 "붕괴"가 아니라 주변 환경, 특히 측정 장치와의 상호작용이다. 측정은 양자 상태를 장치 상태와 측정된 정보를 등록하는 방식으로 상관시키거나 결합하는 것과 동일하다. 만약 이것이 (아마도 시끄러운 열역학적 환경 때문에) 다른 상태로 더 결어긋날 수 있도록 남겨둔다면, 이 상태는 짧은 시간 동안만 지속될 수 있다. 붕괴할 확률은 시간과 함께 증가한다. 그렇다면 빈번한 측정은 확률을 낮게 유지할 만큼 충분히 자주 이루어질 경우, 결합을 재확립하거나 강화하고, 그와 함께 측정된 상태를 강화한다. 붕괴가 예상되는 시간은 시스템이 환경과 결합되었을 때의 예상되는 결어긋남 시간과 관련이 있다. 결합이 강할수록, 그리고 결어긋남 시간이 짧을수록 붕괴는 더 빠르게 일어난다. 따라서 결어긋남 관점에서 "이상적인" 양자 제논 효과는 양자 시스템이 환경에 지속적으로 결합되고, 그 결합이 무한히 강하며, "환경"이 무한히 큰 열적 무작위성 소스인 수학적 극한에 해당한다.

실험 및 논의
실험적으로 환경적 결합으로 인한 양자 시스템 진화의 강한 억제는 여러 미시적 시스템에서 관찰되었다.

1989년, 데이비드 J. 와인랜드와 그의 NIST 그룹은 진화 중에 측정된 2준위 원자 시스템에서 양자 제논 효과를 관찰했다. 약 5,000개의 이온이 원통형 페닝 트랩에 저장되고 레이저 냉각되어 250mK 이하로 냉각되었다. 공명 무선주파수 펄스가 인가되었는데, 이 펄스만 단독으로 인가되면 전체 바닥 상태 개체수가 들뜬 상태로 이동했을 것이다. 펄스 인가 후 이온들은 이완으로 인해 방출되는 광자를 모니터링했다. 그 다음 RF 펄스 동안 일련의 자외선 펄스를 인가하여 이온 트랩을 주기적으로 "측정"했다. 예상대로 자외선 펄스는 시스템이 들뜬 상태로 진화하는 것을 억제했다. 결과는 이론적 모델과 잘 일치했다.

2001년, 마크 G. 라이젠과 그의 텍사스 대학교 오스틴 그룹은 수다르샨과 미스라가 원래 제안한 대로 불안정한 양자 시스템에서 양자 제논 효과를 관찰했다. 그들은 또한 역 제논 효과도 관찰했다. 극저온 나트륨 원자를 가속하는 광학 격자에 가두고 터널링으로 인한 손실을 측정했다. 가속을 줄여 양자 터널링을 멈추게 함으로써 진화를 중단시켰다. 이 그룹은 측정 방식에 따라 붕괴율의 억제 또는 향상을 관찰했다.

2015년, 무쿤드 벤갈라토르(Mukund Vengalattore)와 그의 코넬 대학교 그룹은 원자를 영상화하는 데 사용되는 빛의 강도로 극저온 격자 가스에서 양자 터널링 속도를 조절하는 양자 제논 효과를 입증했다.

2024년, 룬드 대학교의 비요른 안뷔-안데르손(Björn Annby-Andersson)과 그의 동료들은 하나의 전자를 가진 두 양자점 시스템을 이용한 실험에서 "측정 강도가 더 증가하면 제논 효과가 양자점 간 터널링을 방해한다. 약한 측정에서도 제논과 유사한 효과가 관찰되는데, 이는 측정 오류가 온사이트 에너지의 변동을 유발하여 시스템의 위상을 흐트러뜨리기 때문이다."라는 결론에 도달했다. https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.6.043216

양자 제논 효과는 상업용 원자 자력계에 사용되며, 새들의 자기 나침반 감각 메커니즘(자기 수용)의 일부로 제안되기도 한다.

하이젠베르크 불확정성 원리가 짧은 측정 시간과 관련되어 있기 때문에 무한히 많은 질문의 한계에 얼마나 가까이 접근할 수 있는지는 여전히 미해결 문제이다. 그러나 유한한 빈도로 수행되는 측정이 임의로 강력한 제논 효과를 산출할 수 있음이 밝혀졌다. 2006년, MIT의 스트리드(Streed) 등은 제논 효과가 측정 펄스 특성에 의존함을 관찰했다.

"제논 효과"라는 관점에서 실험을 해석하는 것은 현상의 기원을 설명하는 데 도움이 된다. 그럼에도 불구하고, 이러한 해석은 양자 시스템의 슈뢰딩거 방정식으로 설명되지 않는 본질적으로 새로운 특징을 가져오지 않는다.

더욱이, "제논 효과"를 사용한 실험, 특히 고주파수 측정 (전이 억제 효율이 높거나 능선 거울의 반사율이 높은) 극한에서의 자세한 설명은 일반적으로 이상적인 측정에서 예상되는 대로 동작하지 않는다.

양자 제논 효과는 다세계 해석과 양자역학의 상대적 상태 해석에서 지속되는 것으로 나타났다.

 같이 보기 

 아인젤렉션
 간섭 (파동 전파)
 측정 문제
 관측자 효과
 양자 다윈주의
 양자 결어긋남
 파동 함수 붕괴
 제논의 역설

 각주 

 더 읽어보기 
 

 외부 링크 
 Zeno.qcl QCL로 작성된 양자 제논 효과를 시연하는 컴퓨터 프로그램
 

분류:양자 측정