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광주과학기술원(GIST) 전기전자컴퓨터공학부 함병승 교수는 빛의 양자성에 대한 반론으로 빛의 파동성을 입증했다고 밝힘.

일상에서 빛은 소리나 물결처럼 파동으로 이해됨. 그래서 파동으로서 빛은 물결의 높낮이와 같은 '위상'을 가지고 있음. 두 물결이 만날 때 각자의 높낮이 관계에 따라 파고가 더 커지기도 하고 상쇄돼 사라지기도 하는 것처럼, 두 빛이 만날 때도 위상에 따라 세기가 더 증폭되기도, 상쇄되기도 함. 하지만 전자 크기의 작은 세계로 가면 빛은 파동이 아닌 입자, 이른바 광자(光子)로도 이해됨. 여기서 빛은 파동으로만 여겨서는 이해할 수 없는 성질을 보임. 이 성질을 빛의 양자성이라 함.

빛의 양자성 때문에 생기는 대표적인 현상으로 '양자얽힘'이 있음. 양자얽힘은 두 광자가 아주 멀리 떨어져있는 거리에서도 여러 성질들이 서로 긴밀히 연결돼 있는 현상을 말함. 양자얽힘은 파동으로서 빛의 속도(광속)로조차도 즉각적인 상호작용이 불가능한 거리에서도 일어남. 때문에 과학자들은 '멀리 떨어진 두 입자가 얽혀있다'는 식의 양자성으로 이 현상을 이해해왔음.

이번에 함 교수는 양자얽힘을 확인할 수 있는 실험인 '빛가르개 실험'을 파동성으로 재해석했음. 빛가르개는 빛을 2개 이상으로 나누는 광학 장치임.

이제껏 학자들은 빛가르개 실험에서 서로 떨어진 두 빛이 하나의 빛가르개를 지나면 반드시 합체해 출력된다는 것을 관찰해왔음. 그리고 두 빛이 빛가르개에 모이기 전부터 얽힘 관계였다는 양자성으로 이 결과를 해석해왔음. 하지만 함 교수는 더 정교한 실험을 구성해 두 빛이 반드시 특정한 위상 관계를 가질 때만 하나의 빛으로 합체돼 출력됨을 구분해냈음. 빛가르개 실험을 위상 관계에 대한 빛의 파동성으로 재해석해낸 것임.

이번 연구결과는 기존에 거시세계에서는 파동성, 미시세계에서는 양자성으로 나눠 설명하던 빛의 현상들을 재해석할 수 있는 가능성을 보였다는 점에서 의미를 가짐. 나아가 100년 전 보어, 슈뢰딩거, 아인슈타인 등의 물리학자들이 양자역학을 해석하는 방법에 대해 논쟁했던 '코펜하겐 해석'을 재점화하는 기폭제가 될 것으로 기대됨.

함 교수는 "이번 연구결과는 향후 양자성을 가진 결맞는 통신, 컴퓨팅 등 기존 양자역학의 지평을 넓히는 데 기여할 것으로 기대된다"고 밝힘.

본 연구 성과는 ‘Scientific Reports’ 지에 게재됨.