과학자들이 양자 얽힘 상태 원자 그룹에 15조개의 원자가 공존하는 새로운 기록을 세웠다.

양자 얽힘은 양자 물리학의 핵심 현상으로, 두 입자가 거리에 관계없이 신비하게 서로 영향을 미칠 수 있다. 따라서 하나의 입자를 측정하면 다른 하나의 측정 값을 즉시 얻을 수 있다. 과학자들은 왜 이런 일이 발생하는지 완전히 이해하지는 못하지만 실제로 발생한다.

얽힘은 양자 계산, 시뮬레이션 및 센싱에 필수적인 자원이며, 높은 Tc 초전도성 와 같은 중요한 물리 현상의 기초다. 얽힘 상태 형성과 지속에는 매우 특정한 조건이 필요하며, 대부분의 실험은 절대0도에 근접한 온도에서 수행된다.

원자 구름 이미지. (ICFO)

과학자들은 약 450켈빈(177 ° C 또는 350 ° F)으로 가열되고 약 15 조 얽힌 원자로 가득 찬 뜨거운 혼돈의 가스를 만들 수있었다. 이 원자들을 레이저로 측정 한 결과 서로 충돌하며 때로는 얽힌 쌍 사이에 수천 개의 다른 원자가있었다.

실험은 또한 얽힘(entanglement) 상태가 이전에 실현된 것보다 더 강할 수 있음을 보여 주었다.

스페인 광자과학연구소(ICFO) 양자 물리학자 지아 콩(Jia Kong)은 “우리가 측정을 중단하면 얽힘 현상은 약 1밀리 초 동안 유지되는데, 이는 15 조 원자의 새로운 배치가 초당 1,000번 얽혀 있음을 의미한다”고 말한다.

1ms는 원자에 대해 매우 긴 시간이고 약 50회의 임의 충돌이 발생할만큼 충분한 수준이다. 이것은 이러한 임의의 사건에 의해 얽힘이 파괴되지 않음을 분명히 보여준다.

대부분의 양자 얽힘 실험은 초저온을 사용하지만 이러한 충돌과 같은 간섭을 최소화하기 위해 루비듐 금속과 질소 가스를 사용하는이 연구는 얽힘이 훨씬 더 높은 온도에서도 유지될 수 있음을 보여준다.

차세대 통신 시스템 및 양자 컴퓨터에서이 현상을 사용할 수 있으려면 상온에 가까운 노이즈 많은 환경에서 작동해야 한다. 이것이 이 새로운 연구가 기여하는 부분이다.이 연구는 자기 활동성 뇌 조영술 또는 자기 뇌 영상화에 기여할 수 있다. 이 과정은 고온 고밀도 원자 가스를 사용해 뇌 활동에 의해 생성된 자기장을 탐지하는 과정이다.

얽힘은 기술을 더 민감하게 만들 수 있다. ICFO 양자 물리학 자 모건 미첼 (Morgan Mitchell)은 “우리는 이런 종류의 거대한 얽힌 상태가 뇌 영상, 자율 주행자동차, 암흑 물질 탐색에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 더 나은 센서 성능으로 이어지기를 희망한다”고 말했다.

이 연구는 최근 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 발표됐다.

*Kong, J., Jiménez-Martínez, R., Troullinou, C. et al. Measurement-induced, spatially-extended entanglement in a hot, strongly-interacting atomic system. Nat Commun 11, 2415 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-15899-1