양자 제노 효과

Quantum Zeno effect

양자 제노 효과(Turing 역설이라고도 함)는 양자-기계 시스템의 특징으로, 일부 선택된 측정 설정과 관련하여 입자의 시간 진화를 충분히 자주 측정함으로써 입자의 시간 진화를 구속할 수 있다.[1]

때로는 이런 효과가 "보고 있는 동안에는 시스템이 변할 수 없다"[2]고 해석되기도 한다. 알려진 초기 상태에서 충분히 자주 측정함으로써 시스템의 진화를 "동결"할 수 있다. 그 이후 용어의 의미가 확대되어, 시간 진화가 측정에 의해서만 억제될 수 있는 보다 기술적인 정의로 이어졌다: 양자 제노 효과는 측정, 환경과의 상호작용, 확률장 등 다양한 원천이 제공하는 양자 시스템에서 단일 시간 진화를 억제하는 것이다.어요인자[3] 양자 제노 효과 연구의 결과로서, 적절한 대칭으로 충분히 강하고 빠른 펄스 시리즈를 적용하면 시스템을 디코어링 환경으로부터 분리할 수 있다는 것이 명확해졌다.[4]

그 이름은 제노의 화살 역설에서 따온 것인데, 비행 중인 화살은 어떤 순간에도 움직이는 것이 보이지 않기 때문에 전혀 움직일 수 없다는 것이다.[note 1] 양자 제노 효과의 첫 번째 엄격하고 일반적인 파생은 1974년에 드가스페리스, 폰다, 기라르디에 의해 제시되었지만,[5] 이전에는 앨런 튜링에 의해 설명되었다.[6] 제노의 역설과 비교한 것은 1977년 조지 수다르샨과 바이다나트 미스라의 기사 때문이다.[1]

감소추정에 따르면, 각 측정은 파동 기능이 측정 기준의 고유 상태로 붕괴하도록 한다. 이러한 효과의 맥락에서 관찰은 어떤 관습적인 의미에서 관찰자의 필요 없이 단순히 입자의 흡수일 수 있다. 그러나 미시적인 물체와 거시적인 물체 사이의 접점을 가로지르는 데 있어서 '측정 문제'라고 일컬어지는 효과의 해석에 대해서는 논란이 있다.[7][8]

효과와 관련된 또 다른 중요한 문제는 시간-에너지 불변 관계(불변수 원리의 일부)와 엄격히 연관되어 있다. 측정 과정을 점점 더 자주 하려면 측정 자체의 지속시간을 적절히 줄여야 한다. 그러나 측정이 매우 짧은 시간 동안만 지속된다는 요청은 감소가 발생하는 상태의 에너지 확산이 점점 더 커짐을 의미한다. 그러나 소수에 대한 지수 붕괴 법칙의 편차는 에너지 확산의 역행과 결정적으로 관련이 있으므로 편차가 눈에 띄는 부위는 측정 공정 지속시간을 점점 더 짧게 만들 때 축소된다. 이 두 가지 경쟁적 요구에 대한 명시적 평가는 이러한 기본적인 사실을 고려하지 않고 제노 효과의 실제 발생과 출현에 대처하는 것이 부적절하다는 것을 보여준다.[9]

밀접하게 관련되는 (그리고 때로는 양자 제노 효과와 구별되지 않는) 감시 효과로서, 시스템의 시간 진화가 환경에 대한 연속적인 결합에 의해 영향을 받는다.[10][11][12][13]

설명

불안정한 양자체계는 지수 붕괴 법칙에서 단시간 편차를 보일 것으로 예측된다.[14][15] 이러한 보편적 현상은 이 비수평적 기간 동안 빈번한 측정이 양자 제노 효과의 한 형태인 시스템의 붕괴를 억제할 수 있다는 예측으로 이어졌다. 그 후, 더 천천히 적용된 측정치가 붕괴율을 높일 수 있을 것으로 예측되었는데, 이는 양자 반제노 효과로 알려져 있다.[16]

양자역학에서는 그 결과를 고전역학적으로 해석할 수 있기 때문에 언급된 상호작용을 "측정"이라고 부른다. 빈번한 측정이 전환을 금지한다. 그것은 도착 시간 문제에서처럼 입자가 반공간에서 다른 공간(원자 나노스코프에서[17] 원자 거울에 사용될 수 있음)으로 이행하는 것일 수 있고,[18][19] 도파관 안에서 광자가 한 모드에서 다른 모드로 이행하는 것일 수 있으며, 원자가 한 양자 상태에서 다른 상태로 이행하는 것일 수 있다. 그것은 양자 컴퓨터에서 큐빗이 손실된 상태로 결정적으로 손실되지 않은 아공간에서 전환이 될 수 있다.[20][21] 이러한 의미에서 쿼비트 보정에 대해서는 이미 탈착이 발생했는지 여부를 판단하기에 충분하다. 이 모든 것들이 제노 효과의 적용으로 간주될 수 있다.[22] 그 성질상, 그 효과는 구별 가능한 양자 상태를 가진 시스템에만 나타나므로 고전적 현상이나 거시적 신체에는 적용할 수 없다.

수학자 로빈 간디는 튜링의 죽음 직후 동료 수학자 맥스 뉴먼에게 보낸 편지에서 튜링의 양자 제노 효과의 공식화를 회상했다.

[I]t는 표준 이론을 사용하여 어떤 시스템이 관찰 가능한 고유 상태에서 시작되어 그 관측 가능한 N을 1초에 한 번씩 측정한다면, 그 상태가 정지된 상태가 아니더라도, 예를 들어 1초 후에 시스템이 N과 같은 상태에 있을 확률은 무한정 N과 같은 경향이 있다는 것을 보여준다. 즉, 그 c시간 단위로 관찰하면 움직임을 막을 수 있다. 앨런과 나는 이것을 가지고 한두 명의 이론 물리학자들과 씨름했고, 그들은 계속 관찰하는 것은 불가능하다고 말하면서 오히려 그것을 무시했다. 그러나 이런 취지의 표준서적(예: 디락스)에는 아무것도 없으므로 적어도 역설은 평소 제시된 것처럼 양자론의 불충분함을 드러낸다.

— Quoted by Andrew Hodges in Mathematical Logic, R. O. Gandy and C. E. M. Yates, eds. (Elsevier, 2001), p. 267.

튜링의 제안으로 양자 제노 효과는 튜링 역설이라고도 한다. 그 생각은 양자역학의 수학적 기초에 관한 존 폰 노이만의 초기 연구에 내포되어 있으며, 특히 그 법칙은 때로 환원추천이라고 불리기도 했다.[23] 단일 시스템의 양자 제노 효과는 단일 시스템의 양자 상태의 불변화와 동일하다는 것이 나중에 밝혀졌다.[24][25][26]

다양한 실현 및 일반 정의

제노 효과를 역설로 취급하는 것은 양자 붕괴의 과정에만 국한되지 않는다. 일반적으로 제노 효과라는 용어는 다양한 전환에 적용되며, 때로는 이러한 전환이 단순한 '데케이(decay)'(급수적이든 비우량적이든)와 크게 다를 수 있다.

하나의 깨달음은 어떤 물체가 우주의 어떤 영역을 떠나면서 물체(제노의 화살표 또는 어떤 양자 입자)를 관측하는 것을 말한다. 20세기에는, 지역 밖에서 관측된 일부 지역의 입자가 비논리적인 것으로 간주되어 양자역학의 불완전성을 나타냈다.[27] 2001년까지만 해도 흡수에 의한 구속은 역설로 여겨졌다.[28] 이후 라만 산란 억제의 유사한 효과가 전혀 역설적이 [29][30][31]아닌 기대효과로 여겨졌다. 어떤 파장에서 광자의 흡수, 광자의 방출(예를 들어 광자의 어떤 모드로부터 탈출한 것) 또는 심지어 그것이 어떤 지역으로 들어갈 때 입자가 이완되는 것까지도 모두 측정으로 해석될 수 있는 과정이다. 이러한 측정이 과도기를 억제하고, 과학 문헌에서는 제노 효과라고 한다.

이러한 모든 현상(양자 붕괴 억제 본래의 효과를 포함)을 커버하기 위해, 제노 효과는 상호작용에 의해 어떤 전환이 억제되는 현상의 한 종류로 정의될 수 있다 – '전환은 아직 일어나지 않았다'와 '전환은 이미 일어나지 않았다'라는 용어로 결과 상태를 해석할 수 있다. 발생' 또는 '양자 시스템의 진화가 중단된다는 명제' 즉, 시스템이 아직 초기 상태에 있는지 확인하기 위해 거시적 장치에 의해 지속적으로 시스템 상태를 측정하는 경우.[32]

양자 시스템의 주기적 측정

일부 측정 연산자의 고유 상태인 A 의 시스템을 고려하십시오. 자유시간 진화 중인 시스템이 일정 확률로 상태 에 붕괴한다고 가정한다 각 측정에서 각 측정 사이에 일정한 간격을 두고 주기적으로 측정하면 파동 함수가 측정 연산자의 고유 상태로 붕괴된다. 측정 사이에 시스템은 이 고유 상태에서 벗어나 상태 A와 의 중첩 상태로 진화한다 중첩 상태가 측정되면 다시 첫 번째 측정과 같이 상태 로 또는 B ]로 분해된다. 그러나 매우 짧은 t 후에 상태 t에 붕괴할 확률은 t에 비례하며 확률은 제곱 진폭에 비례하고 진폭은 선형적으로 작용하기 때문이다. 따라서 짧은 간격의 수가 많은 한계에서, 매 간격의 끝에 측정치를 두고, 로 전환할 확률은 0이 된다.

탈착성 이론에 따르면 파동함수의 붕괴는 이산적이고 순간적인 사건이 아니다. '측정'은 단기간 동안 소음이 심한 열환경에 양자계를 강하게 결합시키는 것과 같으며, 지속적인 강한 결합은 빈번한 '측정'에 해당한다. 파동 기능이 "붕괴"되는 데 걸리는 시간은 환경에 결합했을 때의 시스템의 소멸 시간과 관련이 있다. 커플링이 강할수록, 그리고 탈착 시간이 짧을수록 더 빨리 무너진다. 따라서 탈착성 그림에서 양자 제노 효과의 완벽한 구현은 양자 시스템이 환경에 연속적으로 결합되고, 그 결합이 무한히 강한 한계와 일치하며, "환경"이 열 무작위의 무한히 큰 원천인 곳에 해당한다.

실험 및 토론

실험적으로, 환경 결합에 의한 양자 시스템의 진화에 대한 강한 억제가 다수의 현미경 시스템에서 관찰되었다.

1989년, NIST의[33] David J. Wineland와 그의 그룹은 진화하는 동안 심문을 받은 2단계의 원자 시스템에 대한 양자 제노 효과를 관찰했다. 약 5,000 Be+ 이온을 원통형 Penning 트랩에 저장하여 250 mK 이하로 레이저 냉각하였다. 공명 RF 펄스를 적용했는데, 단독으로 적용하면 지상국 전체 인구가 흥분 상태로 이동하게 된다. 맥박을 적용한 후 이완으로 인해 방출되는 광자에 대해 이온을 감시했다. 그런 다음 RF 펄스 동안 일련의 자외선 펄스를 적용하여 이온 트랩을 정기적으로 "측정"했다. 예상했던 대로 자외선 펄스는 흥분된 상태로의 시스템의 진화를 억제했다. 그 결과는 이론적 모델과 잘 일치했다. 최근의 리뷰는 이 분야의 후속 작업에 대해 설명하고 있다.[34]

2001년, Mark G. Raizen과 오스틴의 텍사스 대학교의 그의 그룹은 수다르산과 미스라가 원래 제안했던 것처럼 불안정한 양자 시스템에 대한 양자 제노 효과를 관찰했다.[35][1] 그들은 또한 제노 방지 효과를 관찰했다. 초경량 나트륨 원자가 가속 광학 격자 안에 갇혀 터널링에 따른 손실을 측정했다. 가속도를 줄임으로써 진화가 중단되어 양자 터널링을 중단시켰다. 집단은 측정체계에 따라 붕괴율의 억제나 향상을 관찰했다.

2015년, 무쿤드 빈갈라토어와 코넬 대학교의 그의 그룹은 원자를 이미지화하는 데 사용되는 빛의 강도에 의해 초인종 격자 가스의 양자 튜닝 속도를 변조함으로써 양자 제노 효과를 보여주었다.[36]

양자 제노 효과는 상업용 원자자기계에서는 물론 새의 자기 나침반 감각 메커니즘(자기감각)[37]에 의해 사용된다.

측정 시간 단축에 수반되는 하이젠베르크의 불확실성 때문에 무한히 많은 질문의 한계에 얼마나 가까이 접근할 수 있을지는 아직 미지수다. 그러나 유한 주파수에서 수행된 측정은 임의로 강한 제노 효과를 산출할 수 있는 것으로 나타났다.[38] 2006년에 MIT의 Streed 외 연구진은 측정 펄스 특성에 대한 Zeno 효과의 의존성을 관찰했다.[39]

"제노 효과"라는 관점에서 실험의 해석은 현상의 기원을 설명하는 데 도움이 된다. 그럼에도 불구하고 그러한 해석은 양자 시스템의 슈뢰딩거 방정식으로 설명되지 않은 주로 새로운 특징을 가져오지 않는다.[40][41]

더욱이, 특히 측정 빈도가 높은 한계(전환 억제 효율의 고효율, 또는 새빨간 거울의 고반사성)에서 「제노 효과」를 이용한 실험에 대한 자세한 설명은 이상화된 측정에 대해 예상한 대로 작용하지 않는 것이 일반적이다.[17]

양자역학의 다세계 및 상대상태 해석에서도 양자제노 효과가 지속되는 것으로 나타났다.[42]

참고 항목

메모들

  1. ^ 그 생각은 시간의 순간, 즉 각 순간에 화살은 '스트로핑'되어 있고 겉으로는 정지해 있는 것처럼 보이는 일종의 동결 운동 관념에 따라 달라지는데, 일련의 정지된 사건 속에서 어떻게 움직일 수 있을까?

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외부 링크

  • 제노.qcl 양자 제노 효과를 보여주는 QCL로 작성된 컴퓨터 프로그램