이중 슬릿 추가 실험 - Quantum Eraser with double slit & laser & polarization filter

이 실험은 영의 이중슬릿 재현 실험의 추가 실험이다.

https://infoengineer.tistory.com/28

토마스 영의 이중슬릿 실험 재현

 

다음의 영상들이 참고가 되었다. 편광 필름에 대한 실험이다.

https://www.youtube.com/watch?v=R-6St1rDbzo  (가정용 Quantum Eraser 실험)

 

앞서 소개한 영의 이중슬릿 실험 재현과 동일한 구성하에 이중슬릿 모양을 관측해보자.

650nm 레이저 빛이 1mm 이중 슬릿을 통과해, 약 5m뒤의 벽(잘안보이지만)에 투사된다

이미 소개한대로 정확히 회절무늬가 관측된다. 

여기에 예전에 이야기했던 Delayed Quantum Eraser 와 유사한 실험을 해보자.

 

먼저 편광필름을 소개해보자. 3D영화 상영할때 종종 보는 이 편광 필터는 빛이 공간상의 전자기파라고 가정했을때 특정 방향의 전자기파 성분을 흡수한다. 빛이란 원자에서 전자의 궤도가 바뀔때 생성된, 그래서 횡파와 종파가 복잡하게 섞여있는 다수의 그 무엇인데, 이 중에 횡파 성분이나 종파 성분에 대해, 편광필터의 배치 방향에 따라 특정 방향 성분이 모두 흡수되는 것이다. 이렇게 대략 50%의 빛이 흡수된다.

 

더 구체적으로는 아래 영상을 참조해보자. (15분 48초 지점)

 

https://www.youtube.com/watch?v=MzRCDLre1b4

15분 48초 지점의 편광필터 설명을 보라 (전체 영상도 도움이 된다)

편광필터에 대해 잘 모르는 독자를 위해, 영화관에서 3D 영화볼때 사용했던 이 편광 필터가 빛을 차단하는 효과를 보자. 뒤쪽 에 작은 부품을 놓고 그 앞에 필터를 여러종류 배치해서 촬영하였다.

먼저 작은 전자 부품 하나를 세워둔다.

 

부품 앞에 편광 필터를 하나 두어 특정 방향 성분을 흡수한다 (50%차단)

90도 틀어진 편광필터를 하나 더 넣으면 x,y방향 모두 필터링되어 결국 100% 차단된다(검은색 영역).

그러면 좀 특수하게 이 편광 필터를 0도와 90도 방향으로 절반씩 잘라서 수평으로 붙인 반반(?) 필터를 만들어 보자. 녹색테잎으로 두 필터를 90도로 연결해 잘라 붙였다. 아래 사진과 같다. 가운데 선이 잘린 면이다.

이제 편광 필터 하나를 가져다 대면 두 잘라붙은 필터중 한곳의 빛만 100% 차단됨(검은색, 왼쪽영역)을 알 수 있다.

0도 방향으로 또다른 편광 필터를 대보면 한쪽만 막힌다

90도 방향 편광 필터를 대보면 오른쪽이 막힌다

이제 위의 절반씩 이어붙인 필터를 이중 슬릿의 구멍의 양옆이 각각의 절반씩 필터에 지나갈 수 있게 이중슬릿 유리판 두에 잘 부착시킨다. 슬릿 간격이 1mm였으므로 조심스럽게 가운데가 딱 걸쳐지게 붙여줘야 한다. 아래 사진을 참조해보자.

 이렇게 되면 양자 역학 실험에서는 광자가 어느쪽의 슬릿(왼쪽, 오른쪽?)으로 들어오는지 알게되는 효과가 있다. 횡파 성분과 종파 성분을 보면 왼쪽에서 들어왔는지 오른쪽에서 들어왔는지 알게 되기 때문이다. 원하는 바에 따라 필터만 배치해도 한쪽 슬릿에서 온 모든 빛을 언제든 차단할 수 있다. 따라서 이제 광자가 어느 길로 들어왔는지 알게 되었다. 이렇게 되면 아까 회절무늬는 어떻게 될까?

 

회절무늬가 사라졌다 그냥 민무늬다.

보시다시피 약간 어두워지면서(편광 필터에 흡수 되다보니) 회절무늬는 사라지게 된다. 이렇게 되면 그냥 가운데가 밝고 오른쪽으로 갈 수록 어두워지는 일반적인 입자의 성격을 띠는 모양이 나타난다.

 

그런데 이때 어디로 왔는지 모르게, 다시 이 정보를 지워버릴 수 있다. 즉 위의 0도 90도 편광시킨 필름 바로 뒤에 45도 각도의 편광 필름을 그냥 가져다 두는 것이다. 아래 사진을 주의 깊게 보면, 아까와는 다르게 오른쪽에 작은 네모난 필름 한장이 더 추가됨을 알 수 있다. 45도 방향으로 배치한 편광 필름 조각이다. 

이러면 회절무늬가 다시 나타날까? 나타난다. 더 어두워졌지만 자세히 보면 분명히 보인다.

원 실험에서는 이를 Quantum Eraser로 표현한다. 어느 길로 들어왔는지에 대한 정보를 얻지 못하도록 다시 지워버리니까 파동의 성질이 다시 나타났다.

 

기존의 전자기파 관점에서는 이미 수평 수직 성분의 전자기파가 각기 제거되었으니 45도 각도의 편광 필름을 더 추가한다고 해서 변할 것은 없고 더 어두워지기만 해야한다.

그런데 양자 역학적 관점은 다르다. 필터를 통과하는 것은 확률만을 결정하는 것이고, 수직/수평 성분의 전자기파가 흡수되는게 아니라 흡수 되든지 통과 하든지 양자 택일된다. (다만 편광 필터의 방향에 따른 파형으로 통과된다. 그래서 90도 꺽인 필터를 만나면 모두 통과될 확률이 0%가 되어 빛이 차단된다.)

 

 위 실험에서도 0도, 90도 편광 필터를 각각 50%의 확률로 통과한 광자는 45도 편광 필터를 통해서 다시 한번 50%의 확률로 통과되었을 뿐 어느 길로 왔는지는 알 수 없게 되어 버렸다. 기존에 소개한 delayed quantum eraser와 같게 어느 길로 왔는지에 대한 정보가 삭제되자 다시 회절무늬를 만든게 된 것이다(이 실험에서는 delayed 인 것은 아니다. 그냥 quantum eraser이다. 뒤 벽에 상이 맺히기 전에 경로 정보를 지웠기 때문이다.)

 

고전역학으로는 설명되지 않는 현상이 이 편광 실험으로도 간단히 보일 수 있는 셈이다.

 

아래는 동영상으로 간단하게 담아보았다. 위 실험 설명을 숙지하면 실제 실험 결과를 확인할 수 있다

https://www.youtube.com/watch?v=KwBlu5IWsiw