중력파 관측을 위한 양자 기술 도입

• NASA의 NIAC 보조금을 지원받은 브룩헤이븐 국립 연구소의 폴 스탠커스(Paul Stankus) 연구팀이 양자 역학을 활용한 새로운 중력파 검출 개념을 연구 중임.
• 이 방식은 한버리 브라운-트위스(HBT) 효과를 사용하여 우주선 간의 물리적인 레이저 연결 없이 중력파를 관측할 수 있음.
• 중력파가 통과할 때 나타나는 별들의 미세한 위치 변화(wobble)를 포착하여 기존 펄서 타이밍 배열과 LISA 탐사선 사이의 관측 공백을 메우는 것을 목표로 함.

기존 관측 기술의 한계

• LIGO와 같은 지상 검출기는 10-10,000Hz 범위의 고주파 중력파를 감지함.
• 펄서 타이밍 배열(PTA)은 수십 년에 걸쳐 나노헤르츠 수준의 배경 잡음을 관측함.
• 우주 기반 간섭계인 LISA는 밀리헤르츠 영역을 다룰 예정이나, 수백만 킬로미터 떨어진 우주선 사이에 정밀한 레이저 빔을 유지해야 하는 기술적 어려움이 있음.

양자 역학 기반의 해결책

• "2광자 진폭 간섭계(two-photon amplitude interferometer)"라 불리는 이 기술은 독립적으로 비행하는 두 대의 우주선을 활용함.
• 각 우주선은 동일한 별들을 동시에 관측하며 초고속 단일 광자 검출기로 광자 도착 시간을 정밀하게 기록함.
• 지구의 슈퍼컴퓨터가 전송받은 데이터를 비교하여 '양자 뭉침(quantum bunching)' 현상을 확인하고, 물리적 연결 없이 별빛의 위상 간섭을 계산함.
• 다수의 별에서 공통된 패턴의 위상 변화가 감지되면 이를 중력파의 통과 증거로 해석함.

향후 전망

• 연구팀은 2023년 논문을 통해 실험실 환경에서의 탁상형 장치 구현에 성공함.
• 이번 9개월간의 NIAC 연구 기간 동안 실제 우주 공간에 떠 있는 위성 규모로 기술을 확장할 수 있음을 입증하는 것이 목표임.