양자 측정은 균형을 이룬다
Synopsis: Quantum Measurement Strikes a Balance

실험은 양자 측정에서 서로 다른 유형의 정보 내용 사이에 세가지 절충이 있다는 것을 보여준다.

전통적인 이론은 양자 측정을 하는 것이 시스템을 되돌릴 수 없게 변화시킨다고 말한다. 그러나 최근의 실험들은 측정에 의해 교란된 양자 상태가 사후 측정 연산에 의해 회복될 수 있다는 것을 보여준다. 이제, 한국의 서울에 있는 한국과학기술연구원의 임향택, 이승우, 그리고 그들의 동료들은 다양한 종류의 양자 측정을 실험하고 전체 정보가 어떻게 보존되는지를 결정하기 위한 계획을 시연한다. 그들은 양자 상태에 대한 정보가 측정 강도에 따라 수량화 가능한 관계에서 세 부분으로 분리된다고 보고한다.

그 팀의 측정 체계는 광자 큐트리트(qutrit)를 사용했는데, 이것은 단일 광자의 경로 모드에 의해 상태가 정의되는 3단계 양자 시스템이다. 각진 파동판과 빔가르개를 포함한 광학 부품들은 모두 광자의 상태를 준비하고 측정 연산자를 구현했다. 각각의 측정 동안, 연구자들은 관찰자가 큐트리트 상태에 대해 얻은 정보의 양, 측정 중에 실제로 시스템에서 관찰자에게 전달되는 방해받지 않은 정보의 양, 그리고 역 연산자를 적용하여 방해받지 않은 상태 복원 성공 확률의 세 가지 유형의 정보 내용을 평가했다. 연구자들은 측정 연산자의 강도와 유형을 변화시킴으로써 각 유형의 정보 양이 다른 유형의 감소에 따라 증가하는 경향이 있음을 관찰했다. 그들은 정보-방해 관계를 “정보를 많이 얻을수록 상태가 더 많이 교란되고 회복 가능성이 떨어진다.”고 요약할 수 있다고 결론짓는다.

이 실험은 양자역학의 정보보존법칙에 대한 우리의 이해를 더해주고 정보를 보존하기 위해 양자측정이 어떻게 최적화될 수 있는지를 보여준다. 이렇게 최적화된 측정은 연구자들이 신뢰할 수 있는 양자 정보 기술을 구축하는 데 도움이 될 수 있다.

Demonstration of Complete Informa- tion Trade-Off in Quantum Measurement, Seongjin Hong et al., Phys. Rev. Lett. 128, 050401 (2022), Published February 3, 2022.

8년간의 자기 홀극 탐색 실패
Synopsis: Strike Out for Eight-Year Magnetic Monopole Search

아이스큐브(IceCube) 중성미자 관측소의 데이터 분석에서 자기 홀극은 발견되지 않았지만, 분석 방법은 여전히 이 찾기 힘든 입자들을 찾는 데 도움을 줄 수 있다. 막대 자석의 극성에 따라 밀고 당기는 것을 탐색하는 것은 많은 어린이들이 교실에서 물리학에 처음으로 노출되는 탐구 중 하나이다. 두 개의 극을 가지는 쌍극자 자석은 지구에서 어디에나 존재하며 장난감에서 입자 충돌기에 이르기까지 모든 것에 사용되지만, 다른 종류의 자기 시스템이 존재할 것으로 예측된다. 예를 들어, 우주는 또한 하나의 극을 가진 가상의 입자인 자기 “홀극”으로 풍부하게 채워져야 한다. 이 입자들은 빅뱅 동안 생성되었을 것으로 예측되지만, 그 예측은 실험적으로 검증되어야 한다. 이제, 아이스큐브 실험 뒤의 협력은 남극의 아이스큐브 중성미자 관측소가 수집한 8년간의 자료에서 이 찾기 힘든 입자들을 찾아냈다. 이 연구는 빈 손으로 끝났지만, 그 분석이 향후 자기 홀극 탐색을 미세 조정하는 데 도움이 될 수 있을 것이다.

아이스큐브의 5천 개 센서는 중성미자의 신호를 감지하도록 설계되었지만, 그들은 또한 자기 홀극의 신호를 감지할 수 있을 것이다. 이러한 능력은 홀극이 얼음을 통과할 때, 중성미자가 같은 얼음과 상호작용할 때 생성되고 아이스큐브의 센서에 의해 감지될 수 있는 체렌코프 복사로 알려진 형태의 복사를 방출하기 때문에 발생한다.

연구팀은 홀극 신호를 찾기 위해 기계 학습 모델을 개발하여 홀극으로부터 빛의 속도에 가까운 거리를 이동하는 매우 밝고 직선적인 체렌코프 복사 방출을 찾아냈다.

궁극적으로, 연구팀은 그들이 평가한 아이스큐브 데이터의 2886일 동안 어떤 자기 홀극도 발견하지 못했다. 그러나 그들은 가능한 자기 홀극 다발의 새롭고 더 엄격한 상한선을 설정했다.

Search for Relativistic Magnetic Monopoles with Eight Years of IceCube Data, R. Abbasi et al. (IceCube Collab- oration), Phys. Rev. Lett. 128, 051101 (2022), Published February 2, 2022.

반강자성 모형을 이용한 도마뱀 비늘 무늬 설명
Synopsis: Lizard Scale Patterns Described with Antiferromagnetic Model

주름이 있는 도마뱀의 녹색 비늘과 검은색 비늘의 무늬는 반강자성계에 대한 두 가지 매개 변수 이징 모형으로 설명될 수 있다.

남서유럽에서 발견되는 파충류인 주걱도마뱀의 각 비늘은 녹색이거나 검은색이다. 도마뱀이 자라면서, 각각의 비늘이 한 색깔에서 다른 색깔로 바뀌게 되고, 결국 성체가 되면 조각나고 미로같은 모자이크가 만들어진다. 스위스 제네바 대학의 Michel Milinkovitch와 동료들은 이제 반강자성의 이징 모형이 이러한 비늘들이 마지막 무늬로 정착하는 과정을 설명할 수 있다는 것을 발견했다.

이전에, 연구팀은 도마뱀의 비늘의 발달과 분포를 세포 자동 장치(그리드 상의 세포가 잘 정의된 규칙에 따라 진화되는 계산 모델)로 모형을 세웠다. 그러나 이 모형은 14개의 매개 변수를 가지고 있다. 더 간단한 설명을 찾기 위해, 연구자들은 원자나 분자가 스핀 상태 사이에서 뒤집혀서 이웃하는 입자들이 반대 스핀을 갖는 경향이 있는 반강자성 이징 모형을 고려했다. 이 모형은 이웃한 입자 간의 상호작용과 외부 자기장의 세기라는 두 가지 매개 변수만 가지고 있다.

Milinkovitch와 동료들은 반강자성 이징 모형이 도마뱀의 비늘 색깔의 시간 진화, 최종 무늬의 미로 같은 성질, 녹색과 검은색 비늘의 우세한 균형을 정확하게 재현한다는 것을 발견했다. 그들의 모형에서, 너무 많은 이웃들과 같은 색이 되는 것을 피하려는 비늘의 경향은 반강자성 물질의 스핀들 사이의 상호작용과 유사한 반면, 자기장과 유사한 외부 힘은 녹색 비늘보다 검은색을 약간 더 선호했다. 연구자들은 자연 선택이 이 종의 특정한 무늬와 색의 균형을 선호하게 하는지 궁금해한다; 이 문제를 더 조사하기 위해, 그들은 시간이 지남에 따라 무늬를 형성하는 색을 바꾸는 비늘을 가진 다른 종들을 조사할 계획이다.

Lizard Skin Patterns and the Ising Model, Szabolcs Zakany, Stanislav Smirnov, and Michel C. Milinkovitch, Phys. Rev. Lett. 128, 048102 (2022), Published January 27, 2022.

임의의 저밀도로 안정적인 단단한 구 쌓기
Synopsis: Stable Hard-Sphere Packings with Arbitrarily Low Density

다양한 크기의 단단한 구를 쌓는 새로운 전략은 강하고 가벼운 재료를 만드는 새로운 방법으로 이어질 수 있다.

가볍고 강한 구조를 만들기 위해, 연구자들은 힘의 균형에 기여하지 않는 불필요한 물질을 제거하면서 내부 압축과 장력 사이의 상호작용을 활용한다. 단단한 구의 꽉 찬 집합체에는 내부 장력이 부족하기 때문에, 그러한 구조의 밀도를 줄이는 것은 결국 불안정성을 초래하여 얼마나 강하고 가벼울 수 있는지에 대한 한계를 설정한다는 것이 통념이다. 이제, 미국 오리건 대학의 Robert Dennis와 Eric Corwin은 기계적으로 안정적이면서도 구조가 원하는 만큼 가볍도록 단단한 구를 사라지는 수준으로 작은 밀도로 채우는 방법을 발견했다.

두 연구자는 동일한 원판을 2차원으로 배열하는 방법인 “Böröczky 쌓기”를 고려함으로써 임의로 큰 공극이 퍼져있는 긴 다리를 건설할 수 있게 되었다. Böröczky 쌓기는 변형에 내성이 없지만, Dennis와 Corwin은 다른 반지름을 가진 원판을 사용함으로써 더 강한 구조를 얻을 수 있음을 보여주었다. 또한 원판이 단단한 구체로 대체되는 3차원 일반화도 안정적이며 압력과 전단 응력에 저항하는 쌓여진 공간 구조를 생성한다는 것을 입증했다.

그리스 신화에서 디오니소스와 아폴로의 대립을 반영하여, 연구자들은 그들의 전략을 “디오니소스 쌓기”라고 부른다.(그 반대인 “아폴로 쌓기”는 전체 부피가 더 작은 구들로 채워지는 쪽거리 배열이다.) 당기는 힘이 없어도 가볍고 강한 구조의 이론적 존재를 입증함으로써, 두 연구자의 구조는 소량의 재료를 사용하는 단단한 구조로 이어질 수 있다. 하지만, 그들은 디오니소스 쌓기의 실용적인 적용은 구 사이의 마찰과 같은 효과를 고려하는 더 많은 연구가 필요하다고 말한다.

Dionysian Hard Sphere Packings Are Mechanically Stable at Vanishingly Low Densities, R. C. Dennis and E. I. Corwin, Phys. Rev. Lett. 128, 018002 (2022), Published January 5, 2022.