물리학자들은 상대적으로 먼 원자가 서로 통신하는 조건을 확인, 양자 컴퓨팅 응용 가능성을 주장했다.

과학저널 ‘Physical Review A’에 10월 14일에 게재된 연구 결과는 얽힌 원자를 생성할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다. 먼 거리에서 정보를 공유하는 원자에서 양자 통신과 양자 컴퓨터의 개발에 중요하다.

University of Wisconsin–Madison(UW–Madison) 물리학 교수이자 이 연구의 수석 저자 데티즈 야부즈(Deniz Yavuz)는 “양자 컴퓨터를 구축하는 것은 매우 어렵 기 때문에 한 가지 접근 방식은 서로 대화할 수 있는 더 작은 모듈을 구축하는 것”이라며 “이 효과는 이러한 모듈 간의 통신을 증가시키는 데 사용될 수 있다”고 말했다.

시나리오는 빛과 원자를 도는 전자 사이의 상호 작용에 따라 달라진다. 빛의 광자에 부딪힌 전자는 더 높은 에너지 상태로 여기될 수 있다. 그러나 전자는 과도한 에너지를 싫어하기 때문에 붕괴라고 알려진 과정에서 광자를 방출하여 빠르게 에너지를 방출한다. 방출되는 광자 원자는 전자를 증폭시킨 것보다 에너지가 적다. 이 현상은 일부 화학 물질이 형광을 발하게하거나 일부 해파리가 녹색으로 빛나는 고리를 갖도록 하는 것과 같다.

야부즈는 “이제 원자가 두 개 이상이면 문제가 매우 흥미로워진다. 다른 원자의 존재는 각 원자의 붕괴를 수정한다. 그들은 서로 대화한다”고 말했다.

실험에서 UW–Madison 물리학자들은 루비듐 원자 그룹을 절대 영도보다 약간 높은 수준으로 레이저 냉각해 고정했다. 그런 다음 루비듐의 여기 파장에서 레이저를 비추어 전자를 활성화했다. credit : Yavuz Lab.

예를 들어, 단일 원자가 1초 내에 붕괴하면 동일한 유형의 원자 그룹이 1 초 미만 또는 그 이상 붕괴할 수 있다. 타이밍은 조건에 따라 다르지만 모든 원자는 더 빨리 또는 더 느리게 동일한 속도로 붕괴된다. 지금까지 이러한 유형의 상관 관계는 원자가 서로 방출되는 빛의 약한 파장 내에 있는 경우에만 관찰됐다.

연구팀이 사용하는 루비듐 원자의 경우 780 나노 미터 이내(적색 파장과 적외선 파장 사이의 가장자리)를 의미한다. 과학자들은 원자 사이의 거리가 더 멀어지면 루비듐 원자의 붕괴에 얼마나 영향을 미치는지 알고 싶었다. 우세한 아이디어가 옳다면, 780 나노 미터보다 더 멀리 떨어진 두 개의 루비듐 원자는 개별 원자처럼 작용해 각각 특징적인 단일 원자 붕괴 프로파일을 제공한다.

실험에서 그들은 먼저 루비듐 원자 그룹을 레이저 냉각해 원자 운동이 멈춘 온도인 절대 0보다 약간 높은 온도로 고정시켰다. 그런 다음, 그들은 루비듐의 여기 파장에서 레이저를 비추어 전자에 에너지를 공급했다. 전자는 780nm 특성에서 광자를 방출하면서 붕괴된다. 그런 다음 시간이 지남에 따라 방출되는 광자의 강도를 측정하고 단일 루비듐 원자의 붕괴 프로파일과 비교할 수 있다.

야부즈는 “우리는 원자가 파장의 5 배만큼 멀리 떨어져 있을 수 있으며 여전히 이러한 그룹 효과가 뚜렷하다. 붕괴는 원자가 단독으로 있을 때보다 더 빠르거나 더 느릴 수 있다. 두 번째로 보여준 것은, 붕괴의 시간 역학을 살펴보면 빠르게 시작했다가 느려질 수 있다는 것”이라고 말했다.

원자 간의 상관 관계 구축에 대한 이러한 새로운 통찰력을 통해 연구팀은 연구 결과 양자 컴퓨팅 응용 프로그램을 조사하고 있다. 그들은 양자 정보의 얽힘과 효율적인 전송으로 이어질 수 있는 서로 다른 유형의 얽힘으로 이어지는 실험 조건도 연구하고 있다.

*Diptaranjan Das et al. Subradiance and superradiance-to-subradiance transition in dilute atomic clouds, Physical Review A (2020). DOI: 10.1103/PhysRevA.102.043708