MIT 美‧中 과학자들, 내결함성 양자 컴퓨터 개발 기대

광 파동(optical waves), 합성 자기장(synthetic magnetic fields) 및 시간 역전(time reversal)과 관련된 물리적 현상이 최초로 직접 관측됐다.

관측 결과는 상호작용과 결합해 위상 물리학적 위상 상태(topological phases) 구현 등을 통한 내결함성 양자 컴퓨터 개발에 기여할 수 있다고 연구진은 말한다.

MIT 과학자들의 새로운 발견은 비-아벨리안(non-Abelian) 아로노프-봄 효과(Aharonov-Bohm Effect)의 물리적 입증에 해당한다. 아로노프-봄 효과란 전자기장 텐서가 0인 지점에서도 대전된 입자가 전자기력의 영향을 받을 수 있다는 효과다.1959년 야키르 아로노프(Yakir Aharonov)와 데이비드 보옴이 발견했다. 텐서는 어떤 관점에서도 그 본질이 변하지 않는 것을 텐서(Tensor)라고 한다.

연구 결과는 입자가 받는 변형을 설명하는 게이지 필드와 관련이 있다. 게이지 필드는 아벨리안(Abelian)과 비아벨리안(non-Abelian) 두 클래스로 분류된다. 1959년 이론가들이 예측한 아로노프-보옴 효과는 순수한 수학적 도움이 아닌 게이지 필드가 물리적 결과를 가져 왔음을 확인했다.

측정은 아벨리안 시스템 또는 게이지 필드 시스템에서만 작동했다. 즉, 앞뒤로 동일한 방식으로 발생한다. 1975년, 타이선 우(Tai-Tsun Wu)와 청닝 양(Chen-Ning Yang)은 사고실험으로서 비-아벨리안 레짐에 대한 영향을 일반화했다.

비-아벨리안 시스템에서 그 효과를 관찰 할 수 있을지 여부는 불분명했다. 물리학자들은 실험실에서 효과를 입증할 방법이 없었으며, 효과를 낼 수 있는 경우에도 효과를 탐지 할 수있는 방법이 부재했다. 연구팀은 이 두 퍼즐을 모두 해결하는 관측에 성공했다.

관련 논문은 6일(현지시각) 과학저널 사이언스에 게재됐다.

그 효과는 현대 물리학의 이상하고 반직관적 측면 중 하나와 관련이 있다. 사실상 모든 근본적인 물리적 현상은 시간-독립적(time-invariant)이 아니다. 즉, 입자와 힘이 상호작용하는 방식에 대한 세부 사항은 시간에 순행 또는 역행해 실행될 수 있다. 따라서 이벤트가 전개되는 방식이 실제 버전인지 알 수 있는 방법이 없다.

그러나 몇 가지 이례적 현상은 이 시간 대칭을 위반한다. 아로노프-봄 효과의 아벨리안 버전을 만들려면 시간 역전 대칭을 깨뜨리는 것이 매우 어려운 과제다. 그러나 비-아벨리안 버전의 효과를 달성하려 면이 시간 역전을 해소하고 여러 가지 방법으로 더 큰 도전을 해야 한다.

효과를 내기 위해 연구원들은 광자 편광(photon polarization)을 사용했다. 그런 다음 두 가지 종류의 시간 역전 차단을 생성했다. 그들은 광섬유를 사용해 광파의 기하학적 위상에 영향을 미치는 두 가지 유형의 게이지 필드를 생성했다. 먼저 강력한 자기장에 의해 바이어스 된 결정을 통해 전송하고 두 번째는 시간이 변하는 전기 신호로 변조해 두 가지 유형을 모두 파괴한다.

그런 다음 광섬유 시스템을 통해 반대 방향, 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 빛을 보내는 방식에 차이가 있는 간섭 패턴을 생성 할 수 있었다. 시간 반전 대칭, 시간-반전 불변성을 깨지 않고, 빔은 동일해야 한다. 대신에 간섭 패턴은 예측된 특정 세트의 차이를 제시, 어려운 효과의 세부 사항을 보여준다.

연구팀은 아로노프-봄 효과의 아벨리안 게이지는 일련의 실험적 노력으로 관찰되었지만 지금까지 비 아벨리안 효과는 관찰되지 않았다. MIT 대학원생 이 양(Yi Yang)은 고전물리와 양자물리 체제를 포함한 다양한 잠재적 실험 효과의 변형을 연구했다.

MIT 물리학 교수 마린 소야시크(Marin Soljacic)는 “광자, 폴라리톤, 퀀텀 가스 및 초전도 큐비트를 사용하는 양자 시뮬레이션에서 이국적 위상의 구현을 촉진할 수 있다”고 말한다.

그는 연구팀이 합성 할 수 있는 비-아벨리안 게이지 필드는 비-아벨리안 베리(non-Abelian Berry 또는 geometric)단계를 생성 “상호 작용과 결합하면 언젠가 내결함성 토폴로지 양자 계산을 위한 플랫폼으로 사용될 수 있다”라고 말했다.

현대 물리 이론의 기본 토대를 더 잘 이해하기 위해서는 추가적인 발전이 필요하다. 양자컴퓨팅에 활용하려면 실험을 하나의 단일 장치에서 전체 격자로 확대해야한다. 그리고 실험에 사용된 레이저 광선 대신 단일 광자 소스로 작업해야한다. 그러나 현재의 형태에서도이 시스템은 현재 물리학의 매우 활발한 영역인 위상 물리학의 문제를 탐구하는 데 사용될 수 있다고 소자시크는 말한다.

하버드대 물리학 교수 아쉬빈 비쉬바나스(Ashvin Vishwanath)는“비-아벨리안 베리 단계는 현대 물리학에서 흥미로운 아이디어를 이해하기위한 단초가 되는 이론적 보석“이라며 “이 작업이 더 복잡한 아키텍처의 기반으로 직간접적으로 영향을 미치기를 기대한다”고 말했다.

*논문 : Synthesis and observation of non-Abelian gauge fields in real space

* 저자 : MIT graduate student Yi Yang, MIT visiting scholar Chao Peng (a professor at Peking University), MIT graduate student Di Zhu, Professor Hrvoje Buljan at University of Zagreb in Croatia, Francis Wright Davis Professor of Physics John Joannopoulos at MIT, Professor Bo Zhen at the University of Pennsylvania, and MIT professor of physics Marin Soljačić.

*아로노프-봄 효과(Aharanov–Bohm effect)

전자기 이론에서의 맥스웰 방정식에서는 퍼텐셜(벡터 퍼텐셜 또는 스칼라 퍼텐셜) 자체는 직접 측정할 수 없고, 전기장 또는 자기장의 형태의 물리량으로 나타나게 된다.

양자역학에서는 해밀토니언에 전기장 또는 자기장이 아닌 전자기 퍼텐셜이 직접 들어가기 때문에 고전역학에서보다 더욱 중요한 역할을 하게 된다.은 벡터 퍼텐셜 또는 스칼라 퍼텐셜로 인한 전자기장이 0인 지점을 움직이는 입자에도 영향을 미친다는 사실을 발표하였는데 이를 아로노프-봄 효과라 한다. 즉, 입자가 장이 존재하지 않는 영역에서도 전자기 퍼텐셜에 의해 영향을 받을 수 있는 것이다.

*아벨리안(Abelian)/비-아벨리안(non-Abelian)게이지이론(양-밀스 이론과 질량 간극 가설)

수학의 7대 난제 중 하나인 ‘양-밀스 이론과 질량 간극 가설‘ 문제는 “양자 물리학에서 나온 ‘원자 양-밀스 이론(Yang Mills Theory)’과 ‘질량 간극가설’을 수학적으로 입증하라”이다. 양-밀스 이론이란 비-아벨리안( (non-Abelian) 게이지 이론을 말한다. 이는 게이지 그룹이 AB=BA를 만족하지 않는 비-아벨리안인 그룹의 게이지이론이다. AB=BA를 만족하면 아벨리안 그룹이된다. 아벨리안 그룹 중 U(1)그룹이 게이지 그룹인 경우 이 이론이 전자기 이론이다.

* 광자 편광(photon polarization)

광자 편광은 고전적인 편광된 정현파(sinusoidal) 평면 전자기파의 양자역학적 설명이다. 개별 광자는 오른쪽 또는 왼쪽 원형 편광 또는이 둘의 중첩을 갖는 것으로 기술 될 수있다.