복잡한 양자 세계에도 존재하는 속도 제한

복잡한 양자 연산에 대한 속도 제한을 다룬 새 연구는 양자 컴퓨터의 실현에 중요하다.

독일 본 대학(University of Bonn)이 주도한 이 연구에는 MIT, 함부르크, 쾰른, 파도바 대학, JRC(Jülich Research Center) 과학자들도 참여했다. 연구는 ‘Physical Review X‘에 게재되고 미국 물리학회(APS)의 ‘Physics Magazine’에 소개됐다.

연구팀은 세슘 원자를 사용해 두 개의 레이저 빔으로 간섭이라고 불리는 중첩, 빛의 정상파를 만들었다.

본 대학의 응용 물리 연구소에서 이 연구를 이끌었던 안드레아 알베르티(Andrea Alberti) 박사는 “우리는 이 정상파 중 하나에 원자를 로드한 다음 정상파를 움직이게 했다. 이것은 계곡 자체의 위치를 ​​옮겼다”며 “우리의 목표는 원자가 계곡 밖으로 쏟아지지 않고 가능한 한 짧은 시간에 목표 위치에 도달하는 것이었다”고 말한다.

소우주에 속도 제한이 있다는 사실은 이미 이론적으로 두 명의 소련 물리학자 레오니드 멘델스템(Leonid Mandelstam)과 이고르 템(Igor Tamm)이 60년 전에 증명했다. 그들은 양자 과정의 최대 속도가 에너지 불확실성, 즉 가능한 에너지 상태와 관련하여 조작된 입자가 얼마나 “자유로운지”에 따라 달라진다는 것을 보여주었다. 에너지 자유도가 높을수록 더 빠르다.

예를 들어, 원자의 이동의 경우, 세슘 원자가 갇혀있는 계곡이 깊을수록 계곡에 있는 양자 상태의 에너지가 더 많이 퍼지고 궁극적으로 원자가 더 빨리 이동할 수 있다. 그러나 입자의 에너지 자유도는 임의로 증가할 수 없다. 알베르티는 “우리는 계곡을 무한히 깊숙이 만들 수 없다. 너무 많은 에너지를 소비하게 될 것”이라고 강조한다.

속도 제한은 근본적인 제한이다. 그러나 특정 상황, 즉 두 개의 양자 상태만 있는 시스템에서만 도달할 수 있다. 연구에 따르면 출발지와 목적지가 서로 매우 가까울 때 이런 일이 발생한다. 그런 다음 두 위치에서 원자의 물질파가 겹치고 원자는 한 번에 목적지로 직접 이동할 수 있다. 즉, 스타 트렉의 ‘Starship Enterprise’에서 순간 이동하는 것과 거의 같다.

그러나 본 실험에서와 같이 거리가 수십 개의 물질 파동 폭으로 커지면 상황이 다르다. 이 거리에서는 직접 순간 이동이 불가능하다. 대신 입자는 최종 목적지에 도달하기 위해 여러 중간 상태를 거쳐야한다. 2 단계 시스템은 다중 수준 시스템이 된다. 이 연구는 두 소련 물리학자가 예측한 것보다 낮은 속도 제한이 그러한 과정에 적용된다는 것을 보여준다. 이것은 에너지 불확실성뿐만 아니라 중간 상태의 수에 의해서도 결정된다. 이러한 방식으로 작업은 복잡한 양자 프로세스와 그 제약에 대한 이론적 이해를 향상시킨다.

이 발견은 양자 컴퓨팅에 있어 중요하다. 양자 컴퓨터로 가능한 계산은 대부분 다단계 시스템의 조작을 기반으로 한다. 그러나 양자 상태는 매우 취약하다. 물리학자들이 결맞음(coherence) 시간이라고 부르는 짧은 시간 경과에 불과하다. 따라서 이 시간에 가능한 한 많은 계산 작업을 압축하는 것이 중요하다.

알베르티는 “우리 연구는 일관성 시간에 수행할 수 있는 최대 작업 수를 보여준다. 이를 통해 최적의 사용이 가능하다”고 설명한다.

*Manolo R. Lam et al, Demonstration of Quantum Brachistochrones between Distant States of an Atom, Physical Review X (2021). DOI: 10.1103/PhysRevX.11.011035