광자가 원자 구름에 들어가기 전 나오는 것처럼 보이는 '음의 시간' 실험, 피어 리뷰(Peer Review) 통과 — 100만 번의 테스트를

광자가 원자 구름 내부에서 음(-)의 시간을 보낼 수 있음을 보여주는 토론토 대학교(University of Toronto)의 실험 결과가 Physical Review Letters에 게재되었습니다. 이 결과는 프리프린트(Preprint)로 처음 유포된 지 1년 반 만에 피어 리뷰(Peer Review, 동료 검토)를 통과했습니다. Aephraim Steinberg가 이끌고 제1저자인 Daniela Angulo와 Griffith 대학교의 이론가 Howard Wiseman이 참여한 이번 연구는, 차가운 루비듐(Rubidium) 구름을 직진하는 광자가 음의 원자 들뜸 시간(Atomic-excitation time)을 기록할 수 있으며, 즉 들어가기 전에 나오는 것처럼 보일 수 있다는 사실과, 통과 중에 조사된 원자들 자체도 동일한 음의 수치를 보고한다는 것을 발견했습니다.

4월에 발표된 이 피어 리뷰 논문은 2024년 9월 arXiv 초안의 다소 도발적인 프레임워크를 버리고 더 좁은 범위의 제목을 채택했습니다. 연구팀은 이 효과가 빛보다 빠른 신호 전달(Faster-than-light signaling)을 포함하지 않으며, 표준 물리학(Standard physics)으로 완전히 설명될 수 있다는 점을 다시 한번 강조했습니다.

광자가 루비듐 구름을 통과할 때, 광자는 잠시 흡수되어 원자 들뜸 상태로 저장되었다가 다시 방출될 수 있습니다. 이를 파괴하지 않고 저장 시간을 측정하기 위해, 연구팀은 구름을 통해 두 번째 약한 레이저 빔을 발사하고, 해당 빔의 미세한 위상 변화(Phase shifts)를 읽어 원자들이 매 순간 들떠 있는지 추적했습니다.

양자 시스템(Quantum system)에 대한 단일 측정은 시스템을 교란시키기 때문에, 각 실행 결과는 노이즈에 묻혀 있었습니다. 따라서 약 7개의 매개변수 세트에 걸쳐 총 70시간의 데이터 수집을 통해 약 100만 번의 실행을 평균화한 후에야 명확한 수치가 나타났습니다. Physics World의 보도에 따르면, 통과된 광자의 측정된 들뜸 시간은 기준값의 -0.82배까지 떨어졌으며, 모든 광자에 대해 평균을 낸 들뜸 시간인 기준값은 10에서 20나노초(Nanoseconds) 사이였습니다.

Steinberg가 공동 저자로 참여했던 1993년의 한 실험은 투과된 광자들이 자신의 펄스 중심부가 매질(Medium)에 진입하기도 전에 검출기에 도달한다는 것을 보여주었으며, 이는 집단 지연(Group delay)이라 불리는 오래된 광학적 양과 관련된 효과였습니다. 물리학자들은 펄스의 앞부분(Leading edge)만이 이동 과정에서 살아남는 경향이 있어 생존한 광자들이 일찍 도착한 것처럼 보인다는 논리로, 이러한 음수 값을 일종의 인위적인 현상(Artifact)으로 치부하며 무시해 왔습니다. 하지만 원자를 직접 측정하면 그러한 탈출구(Escape hatch)를 제거할 수 있는데, 독립적으로 읽어낸 원자에 저장된 들뜸(Excitation) 상태 또한 음수로 돌아오기 때문입니다.

"이것이 우리가 타임머신을 만들거나 그와 유사한 것을 구축하기 직전이라는 의미는 아닙니다."라고 Wiseman은 Live Science에 전하며, 이 결과가 기존 물리학과의 결별이라기보다는 예상치 못한 또 하나의 양자적 특성일 뿐이라고 덧붙였습니다. Steinberg는 2024년에 이 연구가 실질적인 응용으로 이어질 경로는 보이지 않는다고 말했으며, 광자 시스템(Photonic systems)이 광 기반 양자 컴퓨팅(Quantum computing)과 양자 인터넷(Quantum internet) 체계의 핵심으로 남아 있음에도 불구하고 이러한 주의 사항은 여전히 유효합니다.

Wiseman에 따르면, 다음 테스트는 구름을 통과하지 못한 산란된 광자(Scattered photons)를 대상으로 합니다. 이론에 따르면 이들은 빔의 전체 평균을 0 또는 그 이상으로 유지할 만큼 충분한 추가적인 양의 들뜸 시간(Positive excitation time)을 가지고 있을 것으로 예측되지만, 이 예측은 아직 측정된 바 없습니다.

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Luke James는 프리랜서 작가이자 저널리스트입니다. 법률 분야의 배경을 가지고 있지만, 기술의 모든 것, 특히 하드웨어와 마이크로일렉트로닉스(Microelectronics), 그리고 모든 규제 관련 사항에 개인적인 관심을 가지고 있습니다.