안톤 차일링거

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1. 개요
2. 생애
- 2.1. 초기 생애 및 교육
- 2.2. 경력
3. 연구 업적
4. 수상 내역
5. 대중 문화
참조

1. 개요

안톤 차일링거는 오스트리아의 물리학자이다. 빈 대학교에서 물리학을 전공하고 박사 학위를 받았으며, 빈 공과대학교와 인스브루크 대학교에서 재직했다. 매사추세츠 공과대학교(MIT), 베를린 훔볼트 대학교 등에서 방문직을 역임했고, 빈 대학교 물리학 교수, 오스트리아 과학 아카데미 양자 광학 및 양자 정보 연구소 선임 과학자, 오스트리아 과학 아카데미 회장을 역임했다. 양자역학 연구를 통해 양자 순간이동, 얽힘 스와핑, 다중 입자 얽힘(GHZ 상태) 등 획기적인 연구를 수행했으며, 양자 통신, 양자 암호, 양자 계산 분야에도 기여했다. 2022년 노벨 물리학상을 수상했다.

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안톤 차일링거 - [인물]에 관한 문서
기본 정보
이름	안톤 차일링거
원어 이름	Anton Zeilinger
로마자 표기	Anton Tsaillinggeo
출생	1945년 5월 20일
출생지	오스트리아 리트임인크라이스
국적	오스트리아
학력
모교	빈 대학교 (PhD), 빈 공과대학교 (Dr. habil.)
박사 지도교수	헬무트 라우흐
경력
직장	빈 대학교 인스브루크 대학교 뮌헨 공과대학교 빈 공과대학교 매사추세츠 공과대학교 콜레주 드 프랑스 머튼 칼리지
박사 지도 학생	슈테파니 바르츠 판젠웨이 토마스 예네바인 율리안 포스-안드레아 그레고어 바이스
연구 분야
분야	물리학, 양자역학
주요 업적	벨 실험 엘리추르-바이드만 폭탄 실험 그린버거-혼-차일링거 상태 GHZ 실험 양자 순간 이동 양자 얽힘 교환 초밀도 코딩
학위 논문 제목	중결정 Dy에서의 중성자 편광 해소 측정
학위 논문 URL	Neutron depolarization measurements on a Dy-single crystal
학위 논문 발표년도	1972년
수상
수상 내역	푸르 르 메리트 훈장 (2000년) 클롭스테크 기념상 (2004년) 킹 파이잘 상 (2005년) 빌헬름 엑스너 메달 (2005년) 아이작 뉴턴 메달 (2007년) 라카 물리학 강의 (2012년) 울프 물리학상 (2010년) 존 스튜어트 벨 상 (2017년) IEEE 명예 회원 (2018년) 미시우스 양자 상 (2019년) 노벨 물리학상 (2022년)
기타
안톤 차일링거 서명

2. 생애

오스트리아 출신의 저명한 물리학자이다. 양자 물리학 분야의 선구자로 평가받으며, 빈 대학교를 비롯한 여러 유수의 대학과 연구 기관에서 활동했다.^[77]^[76] 과학적 업적으로 많은 상을 수상했다.^[76]

2. 1. 초기 생애 및 교육

1945년 오스트리아 오버외스터라이히 주 리트 임 인크라이스에서 태어났다.^[11]^[76] 1963년부터 1971년까지 빈 대학교에서 물리학을 전공했다.^[11] 1971년에는 빈 대학교에서 헬무트 라우흐의 지도를 받아 "Dy 단결정에서의 중성자 편광 해제 측정"에 관한 논문으로 박사 학위를 취득했다.^[11]^[12] 이후 1979년 빈 공과대학교에서 대학교 강사 자격을 취득했다.^[12]^[13]^[14]

2. 2. 경력

1970년대에 빈 원자력 연구소에서 연구 조교로 활동했으며, 1979년까지 매사추세츠 공과대학교(MIT) 중성자 회절 연구소에서 부연구원으로 근무했다. 이후 같은 연구소의 조교수로 임명되었고, 같은 해 빈 공과대학교의 교수 자격을 얻었다.^[11]^[15]

1980년부터 1990년까지는 빈 공과대학교, 뮌헨 공과대학교, 인스브루크 대학교, 빈 대학교 등 여러 대학에서 교수로 재직했다.^[16] 이 기간 중 1981년부터 1983년까지는 다시 MIT로 돌아가 물리학과 부교수를 지냈다.^[16]

현재 빈 대학교 물리학 교수이자 오스트리아 과학 아카데미 산하 양자 광학 및 양자 정보 연구소의 선임 과학자로 재직 중이다.^[77] 이 외에도 매사추세츠 공과대학교, 베를린 훔볼트 대학교, 머튼 칼리지, 파리 콜레주 드 프랑스(국제 의장) 등에서 방문 연구직을 역임했다.^[77]^[76]

2004년부터 2013년까지는 빈 소재 양자 광학 및 양자 정보 연구소의 과학 이사를 지냈으며,^[11] 2013년 빈 대학교 명예 교수가 되었다.^[11] 2013년부터 2022년까지 오스트리아 과학 아카데미 회장을 역임했다.^[17]

2006년부터는 본인의 제안으로 설립된 오스트리아 과학기술 연구소 이사회 부회장을 맡고 있다.^[18] 2009년에는 과학 기술 분야의 재능 있는 학생들을 지원하기 위해 국제 아카데미 트라운키르헨을 설립했다.^[18]

그는 중국이 발사한 세계 최초의 양자 통신 위성 "묵자호" 프로젝트에도 협력했다.^[76] 개인적으로 더글러스 애덤스의 ''은하수를 여행하는 히치하이커를 위한 안내서''의 열렬한 팬으로, 자신의 요트 이름을 소설에 등장하는 숫자인 42로 명명하기도 했다.^[19]^[76]

3. 연구 업적

안톤 차일링거는 양자역학의 기초 연구에 기여하며 다양한 실험적, 개념적 성과를 이루었다. 그는 다니엘 그린버거(Daniel Greenberger), 마이클 혼(Michael Horne)과 함께 3개 이상의 입자가 얽혔을 때 나타나는 새로운 현상을 이론적으로 예측하고, 이를 세계 최초로 실험적으로 증명하였다. 이 연구는 다중 입자 간섭 및 다중 입자 양자 상관이라는 새로운 연구 분야를 열었다.

이러한 기초 연구를 바탕으로, 차일링거는 독립적인 큐비트를 양자 순간이동시키는 실험과 얽힌 상태 자체를 순간이동시키는 얽힘 스와핑 개념을 세계 최초로 구현하는 데 성공했다. 또한 벨 부등식에 대한 여러 실험을 수행했으며, 여기에는 우주 벨 테스트와 같은 중요한 검증 과정이 포함된다. 이 외에도 Leggett의 비국소적 실재론, Kochen-Specker 정리, 얽힌 상태를 이용한 비국소 슈뢰딩거 조종 등 양자역학의 근본적인 질문에 답하는 여러 실험을 진행했다.

차일링거의 연구는 양자 정보 기술 발전에도 크게 기여했다. 그는 양자 얽힘을 이용하여 고전적인 방식으로는 불가능한 정보 전송을 보여준 양자 밀도 코딩 실험, 최초의 얽힘 기반 양자 암호 실험, 그리고 정보 용량과 전송 거리를 늘린 양자 통신 실험 등을 선도적으로 수행했다.

그의 또 다른 주요 연구 분야는 물질파동 간섭 현상 연구이다. 그는 중성자에서 시작하여 원자, 그리고 풀러렌과 같은 거대 분자에 이르기까지 다양한 입자들이 파동성을 보이며 간섭하는 현상을 실험적으로 증명하였다. 그의 연구는 중성자 간섭계, 양자 얽힘, 양자 광학, 그린버거-호른-차일링거 상태 등 양자 물리학의 핵심 분야에 걸쳐 있다.

3. 1. 양자 순간이동

차일링거는 양자역학의 기초 연구에 기여했으며, 특히 양자 순간이동 분야에서 선구적인 업적을 남겼다. 그는 다니엘 그린버거(Daniel Greenberger), 마이클 혼(Michael Horne)과 함께 3개 이상의 입자가 얽혔을 때 나타나는 새로운 현상을 이론적으로 예측하고, 이를 실험적으로 증명하는 데 최초로 성공했다. 이 연구는 다중 입자 간섭 및 다중 입자 양자 상관이라는 새로운 연구 분야를 열었다.

이러한 기초 연구를 바탕으로, 차일링거는 독립적인 큐비트를 순간이동시키는 실험을 세계 최초로 성공시켰다.^[20]^[21] 이는 양자 정보를 한 장소에서 다른 장소로 즉시 전송하는 양자 순간이동의 가능성을 실험적으로 입증한 중요한 성과였다. 더 나아가 그는 이미 얽혀 있는 두 입자의 상태를 서로 교환하는 '얽힘 스와핑' 개념을 실험적으로 구현하는 데 성공했다.

차일링거의 연구는 양자 순간이동에만 국한되지 않았다. 그는 벨 부등식을 검증하는 다양한 실험을 수행했으며, 여기에는 우주적 규모에서 양자 얽힘의 비국소성을 확인한 우주 벨 테스트도 포함된다. 또한 Leggett의 비국소적 실재론, Kochen-Specker 정리, 얽힌 상태를 이용한 비국소 슈뢰딩거 조종 등 양자역학의 근본적인 질문에 답하는 여러 중요한 실험들을 수행했다.

이러한 기초 연구 결과들은 양자 정보 기술 발전의 중요한 토대가 되었다. 차일링거는 양자 얽힘을 이용하여 고전물리학의 한계를 뛰어넘는 정보 전송이 가능함을 보여준 양자 밀도 코딩 실험을 최초로 수행했다. 또한, 얽힘을 기반으로 한 최초의 양자 암호 실험을 성공시켰으며, 이후 정보 용량을 늘리고 전송 거리를 확장하는 양자 통신 기술 개발에도 기여했다. 그는 카나리아 제도 사이의 144km 거리에 걸쳐 양자 순간이동을 성공시키는 등^[23] 장거리 양자 통신 연구를 발전시켰고, 자유롭게 전파되는 큐비트를 이용한 순간이동 소스를 개발하기도 했다.^[22]

양자 순간이동은 양자 정보를 전송하는 핵심 기술일 뿐만 아니라, 미래의 양자 컴퓨터 내부에서 연산을 수행하는 게이트를 구축하는 중요한 방법으로도 여겨진다.^[24] 차일링거의 선구적인 연구는 단방향 양자 계산 및 블라인드 양자 계산과 같은 가능한 응용 프로그램의 길을 열며 이러한 양자 기술의 발전에 크게 기여했다.

그의 다른 주요 연구 분야로는 중성자에서 시작하여 원자, 풀러렌과 같은 거대분자에 이르기까지 다양한 입자들의 물질파동 간섭 현상을 실험적으로 증명한 것이 있다.

3. 2. 얽힘 스와핑

얽힘 스와핑은 얽힌 상태 자체를 순간이동시키는 개념이다.^[25] 안톤 차일링거는 다니엘 그린버거, 마이클 혼과 함께 다중 입자 간섭 및 양자 상관관계를 연구하며 독립 큐비트의 첫 양자 순간이동을 실험적으로 구현했다.

이러한 연구를 바탕으로 차일링거 그룹은 1998년, 제안되었던^[25] 얽힘 스와핑을 세계 최초로 실험적으로 구현하는 데 성공했다.^[26] 이는 독립적으로 생성된 두 쌍의 얽힌 입자 중 각각 하나씩을 특정 방식으로 측정하면, 직접 상호작용한 적 없는 나머지 두 입자가 얽히게 되는 현상을 실험으로 증명한 것이다. 이후 이 실험 결과는 지연 선택(delayed choice) 얽힘 스와핑 테스트 등 양자역학의 기초를 탐구하는 후속 연구들에 적용되었다.^[27] 차일링거의 이러한 실험적 성과들은 양자 정보 기술 및 양자 통신 분야 발전과 밀접한 관련이 있다.

3. 3. 다중 입자 얽힘 (GHZ 상태)

안톤 차일링거는 다중 입자 얽힘 분야의 개척에 기여했다.^[28] 1990년, 그는 다니엘 그린버거, 마이클 호른과 함께 두 개 이상의 큐비트 얽힘에 관해 연구한 최초의 과학자 중 한 명이었다.^[29] 이들의 연구 결과로 나온 GHZ 정리(그린버거-호른-차일링거 상태 참조)는 국소적 실재론과 양자역학의 예측 사이의 가장 간결한 모순을 보여주기 때문에 양자 물리학의 기본으로 여겨진다.^[30]

GHZ 상태는 최초로 연구된 다중 입자 얽힘의 사례였다.^[31]

안톤 차일링거가 줄리안 포스-안드레의 조각상을 들고 있는 모습, 사진: J. Godany

마지막으로, 1999년, 그는 두 입자 이상의 얽힘에 대한 최초의 실험적 증거를 제공하는 데 성공했으며,^[32] GHZ 상태에 대한 양자 비국소성의 최초 테스트도 수행했다.^[33]

3. 4. 양자 통신, 양자 암호, 양자 계산

차일링거의 연구는 양자 정보 기술의 발전에 중요한 기여를 했다. 그는 양자 얽힘을 기반으로 한 여러 선구적인 실험을 수행하며 양자 통신, 양자 암호, 양자 계산 분야의 토대를 마련했다.

그의 연구팀은 양자 밀도 코딩 실험을 통해 양자 얽힘이 고전물리학의 한계를 넘어서는 정보 전송 능력을 가짐을 최초로 입증했다. 또한, 1998년에는 얽힌 광자를 이용하여 양자 암호를 구현하는 데 성공했는데, 이는 세계 최초의 얽힘 기반 양자 암호 실험으로 기록되었다.^[34]^[35] 독립 큐비트의 양자 순간이동을 최초로 성공시킨 것도 그의 업적 중 하나이며, 이후 얽힌 상태 자체를 순간이동시키는 얽힘 스와핑 개념을 실험적으로 구현했다.

이러한 기초 연구는 양자 계산 분야로도 이어졌다. 2005년, 차일링거 연구팀은 Knill, Laflamme, Milburn이 제안한 측정 기반 양자 계산 프로토콜인 일방향 양자 계산을 세계 최초로 구현하는 데 성공했다.^[36]^[37] 이는 양자 컴퓨터 개발의 새로운 가능성을 제시한 중요한 성과로 평가받는다. 가능한 응용 분야로는 블라인드 양자 계산 등이 있다.

차일링거는 양자 통신의 실용화를 위한 장거리 실험에도 힘썼다. 그의 연구진은 다뉴브 강 양쪽에 위치한 연구소 간의 자유 공간 및 광섬유 기반 양자 통신 및 순간이동 실험을 시작으로,^[38] 비엔나 시 전체와 두 카나리아 제도 사이의 144km 이상 거리에서 양자 얽힘 상태를 성공적으로 분배했다. 이는 위성을 이용한 전 지구적 양자 통신 네트워크 구축의 실현 가능성을 보여준 중요한 결과이다. 차일링거는 장기적으로 인공위성에 얽힌 광원을 배치하여 양자 통신 기술을 더욱 발전시키려는 목표를 가지고 있으며,^[19] 이탈리아의 마테라 레이저 거리 측정 관측소(Matera Laser Ranging Observatory)에서의 실험을 통해 그 첫 단계를 성공적으로 수행했다.^[40]

3. 5. 거시적 양자 중첩

안톤 차일링거는 양자역학을 미시 세계뿐만 아니라 눈에 보이는 거시적 영역으로 확장하는 연구에도 깊은 관심을 보였다. 1990년대 초반부터 그는 원자 광학 분야에서 실험을 시작하여, 원자 빔을 정교하게 제어하는 다양한 기술을 개발했다. 예를 들어, 시간에 따라 세기가 변하는 빛을 이용하여 원자의 드브로이 파가 회절될 때 그 에너지를 일관성 있게 변화시키는 기술 등은 오늘날 극저온 원자 실험의 중요한 부분이 되었다.

1999년에는 연구 방향을 전환하여, 원자보다 훨씬 크고 복잡한 거대 분자인 풀러렌(C₆₀, C₇₀)을 이용한 실험에 착수했다. 같은 해, 그는 이 풀러렌 분자들이 파동처럼 간섭하는 양자 현상을 성공적으로 시연하여^[43], 거대 분자의 양자적 성질을 탐구하는 새로운 연구 분야를 개척했다.

이후에도 거시적 양자 현상에 대한 연구를 이어갔다. 2005년에는 연구진과 함께 기계적으로 진동하는 작은 막대(캔틸레버)의 양자 물리학적 특성을 연구했으며,^[44] 2006년에는 파리의 하이드만 및 가르칭의 키펜버그와 함께 빛의 압력(복사 압력)을 이용하여 마이크로미터 크기의 거울을 외부의 피드백 제어 없이 스스로 냉각시키는 실험을 성공적으로 수행했다.^[45] 또한, 입자의 궤도 각운동량 상태를 활용하여 최대 300 ħ(ħ는 디랙 상수)에 달하는 높은 각운동량 값을 가지는 양자 얽힘 상태를 실험적으로 구현하기도 했다.^[46]

3. 6. 중성자 간섭계

안톤 차일링거의 초기 연구는 상대적으로 덜 알려져 있지만, 그의 중성자 간섭계 연구는 이후 연구 활동의 중요한 토대를 마련했다.^[53]

차일링거는 헬무트 라우흐 교수의 지도 아래 빈 공과대학교 시절부터 프랑스 그르노블에 위치한 라우에-랑제뱅 연구소(ILL)에서 여러 중성자 간섭계 실험에 참여했다. 그가 처음 수행한 실험 중 하나는 양자역학의 근본적인 예측, 즉 입자가 360도 회전할 때 스피너의 위상이 부호 변화를 겪는다는 사실을 실험적으로 확인한 것이었다.^[54] 이어서 그는 물질파의 일관성 있는 스핀 중첩 상태를 최초로 실험적으로 구현하는 데 성공했다.

이후 그는 미국으로 건너가 MIT에서 노벨 물리학상 수상자인 클리포드 셜과 함께 중성자 간섭계 연구를 이어갔다. 이 시기에는 특히 완벽한 결정 구조 내에서 여러 파동의 일관된 중첩으로 인해 발생하는 중성자의 동적 회절 현상에 연구 초점을 맞추었다.

유럽으로 돌아온 차일링거는 원자를 이용한 후속 실험들의 기초가 된 극저온 중성자용 간섭계를 직접 구축했다. 이 장치를 이용한 기본적인 실험 중에는 양자역학의 기본 원리인 중첩 원리의 선형성을 가장 정밀하게 검증하는 실험도 포함되었다. 또한 그는 라우에-랑제뱅 연구소의 S18 실험 장치에서 중성자를 이용한 이중 슬릿 실험을 성공적으로 수행했으며,^[55] 나중에는 실험의 정확도를 더욱 높여 장치 내부에 한 번에 단 하나의 중성자만 존재하도록 통제된 조건에서도 실험을 진행할 수 있게 만들었다.^[56]

4. 수상 내역

wikitext

연도	상 이름	수여 기관/내용	비고 (공동 수상자 등)
1996	유럽 광학상	유럽 광학회	^[70]
2000	예술 및 과학 훈장		^[69]
2001	오스트리아 과학 예술 훈장	오스트리아 공화국
2004	데카르트 상	유럽 연합	IST-QuComm 프로젝트 협업의 일원^[67]
2004	클롭스테그 기념상	미국 물리학 교사 협회	^[68]
2005	킹 파이살 국제상 (물리학)	킹 파이살 재단	^[66]
2005	빌헬름 엑스너 메달
2007	양자 전자 공학상	유럽 물리학회	^[65]
2008	아이작 뉴턴 메달 (초대)	물리학 연구소	^[64]
2009	독일 연방 공화국 공로 훈장 대십자장	독일 연방 공화국	^[63]
2010	울프 물리학상	울프 재단	알랭 아스페, 존 클라우저 공동 수상^[62]
2011	클래리베이트 인용 영예상	클래리베이트 애널리틱스 (구 톰슨 로이터)
2012	미국 과학 진흥 협회 펠로우		선출^[61]
2016	윌리스 램 상
2017	존 스튜어트 벨 상	토론토 대학교 (양자 역학의 기본 문제와 응용에 대한 연구)	로널드 핸슨, 사우 남 공동 수상^[59]
2017	체코 상원 은메달	체코 공화국 상원	^[60]
2018	코자렐리 상 (물리 및 수학 과학)	미국 국립 과학원 회보 및 미국 국립 과학 아카데미	알렉세이 A. 멜니코프, 헨드릭 폴센 노트럽, 마리오 크렌, 베드란 둔코, 마르쿠스 티어시, 한스 위르겐 브리겔 공동 수상^[58]
2019	미키우스 퀀텀 상	미키우스 퀀텀 재단	스티븐 와이너, 찰스 H. 베넷, 질 브라사드, 아르투르 에케르트, 판젠웨이 공동 수상^[57]
2022	노벨 물리학상	스웨덴 왕립 과학원	존 클라우저, 알랭 아스페 공동 수상^[10]
2024	오스트리아 공화국 공로 대훈장 금장	오스트리아 공화국

5. 대중 문화

차일링거는 모건 프리먼이 진행하는 《웜홀을 지나서》 시즌 2에서 인터뷰를 했다.^[73]

참조

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_[2] 웹사이트 Prof. Dr. Stefanie Barz https://www.fmq.uni-[...]
_[3] 웹사이트 Prof. Jian-Wei Pan https://web.archive.[...] 2015-11-20
_[4] 웹사이트 Quantum Communication and Teleportation Experiments using Entangled Photon Pairs https://web.archive.[...] 2002-06-11
_[5] 웹사이트 Gregor Weihs – CV https://www.uibk.ac.[...] Universität Innsbruck
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_[7] 웹사이트 The Nobel Prize in Physics 2022 https://www.nobelpri[...] 2022-10-04
_[8] 웹사이트 Anton Zeilinger http://www.nasonline[...] 2022-10-04
_[9] 웹사이트 Anton Zeilinger scoops first Isaac Newton medal https://physicsworld[...] 2007-10-03
_[10] 뉴스 Nobel physics prize goes to sleuths of 'spooky' quantum science https://www.reuters.[...] 2022-10-04
_[11] 웹사이트 Anton Zeilinger https://www.britanni[...] 2024-05-16
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_[15] 문서 "Philosophysics” at the University of Vienna: The (Pre-) History of Foundations of Quantum Physics in the Viennese Cultural Context https://arxiv.org/ab[...] 2022
_[16] 문서 "Philosophysics” at the University of Vienna: The (Pre-) History of Foundations of Quantum Physics in the Viennese Cultural Context https://arxiv.org/ab[...] 2022
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_[20] 웹사이트 Abstract http://www.nature.co[...] 1997
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_[32] 웹사이트 Abstract http://www.nature.co[...] 1999
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