양자 세계에서 순간이동(teleportation)은 정보 이동을 포함한다.

지난해 과학자들은 광자가 물리적으로 연결되지 않은 경우에도 컴퓨터 칩의 광자 사이에 정보가 전달될 수 있음을 확인했다.

6월 15일 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재된 논문에서 연구원들은 분리된 전자들 사이의 양자 역학적 상호 작용을 만드는 새로운 방법을 제시했다.

이 연구는 양자 컴퓨팅, 양자 프로세서와 센서 개선에 기여, 의학 및 과학기술 발달에 큰 잠재력을 가지고 있다.

양자 순간 이동은 앨버트 아인슈타인(Albert Einstein)이 유명한 ‘먼 거리에서의 괴이한 행동(spooky action)’이라고도 불리는 양자 얽힘(quantum entanglement)이라고도 한다. 양자 물리학 개념의 기본 개념 중 하나인 얽힘에서 입자가 멀리 떨어져 있어도 한 입자의 특성이 다른 입자의 특성에 영향을 준다. 양자 순간 이동은 두 개의 먼 얽힌 입자를 포함하는데, 여기에서 세 번째 입자의 상태는 두 개의 얽힌 입자의 상태를 즉시 “텔레포트” 한다.

양자 순간 이동은 양자 컴퓨팅에서 정보를 전송하는 중요한 수단이다. 일반적인 컴퓨터는 비트라고하는 수십억 개의 트랜지스터로 구성돼 있지만, 양자 컴퓨터는 정보를 양자 비트 또는 큐비트(qubits)로 인코딩한다. 비트에는 단일 이진값이 있으며 “0”또는 “1”일 수 있지만 큐비트는 동시에 “0”과 “1”일 수 있다. 개별 큐비트가 여러 상태를 동시에 점유할 수 있는 능력은 양자 컴퓨터의 강력한 잠재력이다.

과학자들은 최근 전자기 광자를 사용해 원격으로 얽힌 큐비트 쌍을 만들어 양자 순간 이동을 시연했다. 개별 전자로 만들어진 큐비트는 반도체에서 정보를 전송하는데도 유망하다.

a. 4 중 양자점의 주사전자현미경(SEM) 사진. 전자 스핀 큐 비트의 위치는 중첩된다. 흰색 점은 센서 양자점의 위치를 나타낸다. 스케일 바는 200nm다. b 순간 이동 프로토콜의 물리적 구현. 점 3 및 4는 저장소와의 전자 교환을 통해 단일항 구성으로 초기화 된 다음 터널링을 통해 분리된다. SWAP 게이트를 점 2와 3 사이 배리어 게이트에 대한 양의 전압 펄스로 구현한다. 큐비트 쌍은 파울리 스핀 차단을 통해 단일/삼중항 단위로 측정된다. c 조건부 양자 순간이동 프로토콜 회로도. | ψ⟩는 4큐비트 파동 함수를 나타낸다. credit:Nature Communications.

영국 로체스터 대학(University of Rochester) 물리학과 조교수 존 니콜(John Nichol)은 “개별 전자는 서로 쉽게 상호 작용하기 때문에 유망한 큐비트이며, 반도체의 개별 전자 큐비트도 확장 가능하다. 양자 컴퓨팅에는 전자 간의 장거리 상호 작용을 안정적으로 생성하는 것이 필수적”이라고 말했다.

먼 거리의 순간이동에 필요한 얽힘 전자 큐비트 쌍을 만드는 것은 어려운 일로 입증됐다. 광자는 자연적으로 장거리로 전파되지만 전자는 일반적으로 한 곳에 국한된다. 전자를 이용한 양자 순간 이동을 설명하기 위해 연구원들은 하이젠베르그(Heisenberg) 교환 커플링 원리를 기반으로 최근 개발된 기술을 활용했다.

개별 전자는 북극과 남극이 위 또는 아래를 가리킬 수 있는 막대 자석과 같다. 북극의 방향은 전자의 자기 모멘트 또는 양자 스핀 상태로 알려져 있다. 특정 종류의 입자가 동일한 자기 모멘트를 가지면 동시에 같은 장소에 있을 수 없다. 즉, 동일한 양자 상태의 두 전자가 동시에 있을 수 없고, 그 상태는 시간이 지남에 따라 바뀐다.

연구원들은 이 기술을 사용해 얽힌 전자 쌍을 분배하고 스핀 상태를 순간 이동시켰다.

니콜은 “우리는 입자가 상호 작용하지 않더라도 두 전자 사이에 얽힘을 생성하는 ‘얽힘 교환(entanglement swapping)’과 순간이동을 이용한 양자 컴퓨팅에 잠재적으로 유용한 기술인 양자게이트 순간이동(quantum gate teleportation )에 대한 증거를 제시한다. 우리 연구는 이것이 광자 없이도 가능하다는 것을 보여준다”고 말했다.

이 결과는 광자뿐만 아니라 모든 물질의 스핀 상태를 포함하는 향수 양자 순간이동 연구에 기여하며 큐비트 반도체에서 개별 전자의 유용한 기능에 대한 더 많은 증거를 제공한다.

* Qiao, H., Kandel, Y.P., Manikandan, S.K. et al. Conditional teleportation of quantum-dot spin states. Nat Commun 11, 3022 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-16745-0