미국 국립표준기술연구소(National Institute of Standard and Technology, NIST) 물리학자이 이온(ion, 전하 원자)움직임을 제어해 정확한 양자 수준 움직임(quantum-level motion)을 표시하는 방법을 개발했다.

레이저 펄스를 사용해 이온을 조정, 연구원들은 100패킷 에너지 또는 퀀타(quanta, quantum의 복수형) 수준을 제어해 전자기장 내에서 진동하도록 설정할 수 있었다. 기존 17퀀타 수준보다 5배이상 향상된 수치다.

연구원들은 전자기장 내에서 진동하는 에너지 수준을 조절해 전기적으로 충전된 원자인 포획(trapped) 이온의 움직임을 정밀하게 제어했다. 연구 논문은 7월 22일 네이처(Nature) 온라인판에 게재됐다.(논문:Quantum-enhanced sensing of a single-ion mechanical oscillator)

양자역학은 양자 에너지가 작은 덩어리 또는 패킷으로 방출되거나 흡수된다고 설명한다. 원자는 광자(photons) 또는 퀀타(quanta)를 방출하며 빛 에너지를 생성한다. 포획된 원자의 운동 에너지는 포논(phonons) 또는 퀀타(quanta) 움직임에 의해 전달된다. 포논은 응집물질물리학에서 결정 격자의 양자화된 진동을 나타내는 준입자를 의미한다.

단일 이온 퀀타를 생성하는 것 외에도 NIST팀은 2개의 서로 다른 양의 거동 퀀타를 동시에 표시하기 위해 이온의 진자유사 운동을 제어했다. 두 상태의 중첩은 양자 세계의 특징이다.

연구팀은 이온을 중첩(superposition) 상태로 유지했다. 이는 이온이 동시에 두 개의 에너지 상태로 어떤 전자기장에서도 초감도를 지니게끔 했다. 중첩에서 두 에너지 수준의 차이가 클수록 이온은 더 민감해진다. 연구진은 에너지 퀀타가 전혀 없는 상태와 18인 상태 사이에 이온을 중첩시켰다.

NIST에 따르면 관련 기술은 정보의 운반자로서 포논을 사용하는 새로운 유형의 양자 시뮬레이터 및 센서에 활용할 수 있다. 또한, 중첩 상태는 양자 측정 및 양자 정보 처리를 향상시킬 수 있다. 주파수 측정 수단으로 중첩상태 이온을 사용하면 이온의 진동 주파수의 경우 기존 측정과 비교해 정밀도가 두 배 이상 향상된다는 설명이다.

논문 주저자 미국 시애틀 워싱턴대(University of Washington) 물리학자 케이티 맥코믹(Katie McCormick)은 연구결과에 대해 “양자 상태를 시스템의 속성을 측정하는 장치로 사용할 수 있다. 우리가 가지고 있는 양자 제어가 더 많을수록 측정 선들이 더 조밀해져 더 정확하게 수량을 측정 할 수있게 됐다”고 말했다.

실험은 냉각 된 전자기 트랩의 금 전극 40 마이크로미터 위에 놓인 단일 베릴륨(beryllium) 이온으로 수행됐다. 맥코믹 교수는 NIST연구가 이온과 에너지를 교환하고 방해하는 표류 전기장과 같은 원치 않는 요인을 최소화 할 수 있었기 때문에 이번 결과가 가능했다고 설명했다.

포논을 이온에 결합하기 위해 NIST의 연구자들은 자외선 레이저 펄스로 이온 스핀(spin)상태를 바꿨다. 각 펄스는 ‘스핀 업(up)/스핀 다운(down)’ 또는 그 반대로 이온을 플립하고 각 플립은 이온을 가두는 동작의 양자를 추가했다. 중첩을 만들기 위해 연구자들은 이온의 파동 함수의 절반(입자의 위치와 회전 상태의 확률의 파동 패턴)에만 레이저 펄스를 적용했다. 파동 기능의 다른 절반은 레이저 펄스에 영향을 받지 않고 움직이지 않는 세 번째 스핀 상태에 있었다.

이온 정지 상태와 높은 포논(phonon) 수의 중첩을 통해 NIST 연구원들은 양자 강화 측정 감도 또는 정밀도를 구현했다. 그들은 이온 주파수를 특성화, 분석할 수 있는 간섭 패턴을 형성하는데 두 개의 부분 파를 분리하고 병합하는 계측기인 간섭계(interferometer)를 사용했다.

측정 정밀도는 0과 12 중첩 상태에서 거동 양자 수에 따라 선형적으로 증가했다. 고전적 양자 상태 감도의 2 배 이상 향상됐다. 그 0과 12 중첩상태는 0과 1의 단순한 간섭계 중첩보다 7배 이상 정확했다.

연구팀에 따르면 이온 연구는 더 나은 양자 컴퓨터를 만드는데 사용될 수 있다. 일부 양자 컴퓨터는 양자 데이터에 대한 작업을 수행하는 데 사용되는 레이저와 함께 트랩에 갇힌 이온을 통해 정보를 저장하고 처리한다. 과학자들은 이 장치가 현재 가능한 것보다 더 복잡한 계산을 수행할 수 있을 것으로 예측한다.

*포획 이온 양자컴퓨터는 큰 규모의 양자컴퓨터를 위해 제안된 하나의 접근법이다. 이온이나 대전된 소립자는 전자기장을 이용하여 자유 공간에 갇히고 매달려질 수 있다. 큐비트들은 각 이온의 안정된 전자상태로 저장되며, 양자 정보는 쿨롱 힘을 통해 상호작용하는 공유된 덫 안의 이온들의 집단적 양자화된 운동을 통해 운반될 수 있다. 레이저는 큐비트 상태(단일 큐비트 연산을 위한)간이나 내부적 큐비트 상태와 외부적 운동 상태(큐비트간의 얽힘을 위한) 사이의 커플링(coupling)을 유도하기 위해 적용된다.

양자컴퓨터의 근본적 연산은 포획 이온 시스템의 현존 최고의 정확성으로써 경험적으로 시연된다. 시스템을 임의의 많은 수의 큐비트들로 확장하는 개발의 유망한 계획들은 이온을 이온 덫의 배열 안의 공간적으로 구별되는 위치들에 운반하는 것과 멀리 떨어져 얽혀 있는 이온 체인의 광자적으로 연결된 네트워크를 통해 거대한 얽힌 상태를 구축하는 것, 그리고 이 두 아이디어의 결합을 포함한다. 이것에 의해 포획 이온 양자컴퓨터 시스템은 확장성과 보편성이 있는 양자컴퓨터를 위한 구조 중 가장 유망한 축에 들게 된다. 2018년 4월 현재, 20개의 포획된 이온들이 가장 많은 수의 입자가 제어 가능하게 얽힌 것이다.