양자 물질 시뮬레이션은 통신망과 양자역학과 중력의 근본적인 문제에 대한 통찰력을 제공 할 수 있다.

프린스턴대(Princeton University) 전기공학교수 앤드류 하우크(Andrew Houck)와 연구팀은 공간이 각 지점에서 멀어지면서 곡선이 되는 기하학적 표면(geometric surface) 쌍곡면(hyperbolic plane)에서 광자 상호작용을 시뮬레이션 하는 마이크로칩 전자 어레이(electronic array)를 구축했다.

최근 네이처(Nature) 지에 게재 된 이 연구는 미국 육군(US Army)연구 프로젝트 일환으로 초전도 회로를 사용해 쌍곡선 공간으로 기능하는 격자를 만들었다.

연구원들은 회로 양자 전기역학(Circuit quantum electrodynamics, circuit QED) 시뮬레이션 쌍곡선 공간에서 광자의 상호 작용을 관찰했다. 문제는 양자 물질 연구 컴퓨터 모델링이 어렵다는 것이다. 프린스턴 복합 재료 센터의 박사후 연구원 알리사 코렐(Alicia Kollár) 박사는”하드웨어 수준에서 모델을 구현하려고 노력하고 있다”고 설명했다.

센티미터 크기의 칩은 마이크로파 광자가 이동하고 상호 작용하는 경로를 제공하는 초전도 공진기(superconducting resonators) 회로로 에칭된다. 칩상의 공진기는 헵타곤(heptagons) 또는 7면 폴리곤의 격자 패턴으로 배열된다. 구조는 평면에 있지만 쌍곡선 평면의 비정상적인 형상을 시뮬레이션한다.

엔드류 하우크 교수는 “일반적인 3차원 공간에서 쌍곡선 표면은 존재하지 않는다”라며 “이 물질은 실험실 환경에서 양자역학과 곡선 공간을 혼합하는 것에 대해 생각할 수있게 해준다”고 말했다.

3차원 구를 2차원 평면에 강제로 넣으려고하면 구형 평면의 공간이 평면보다 작음을 알 수 있다. 이것이 구형 지구의 평평한지도 위에 그려 질 때 국가의 모양이 뻗어 나오는 이유다. 쌍곡면은 평면에 맞추기 위해 압축 될 필요가 있다.

연구진은 평평한 표면에 하이퍼볼릭 공간을 압축하는 효과를 시뮬레이션하기 위해 코플라너 웨이브가이드 공진기(coplanar waveguide resonator)라는 특별한 유형의 공진기를 사용했다. 마이크로파 광자가 이 공진기를 통과 할 때, 그것들의 경로가 직선인지 사선인지에 상관없이 같은 방식으로 행동한다. 공진기의 구불구불 한 구조는 평평한 기와 패턴을 만들기 위해 헵타곤의 측면을 뭉개고 날카롭게 만드는 유연성을 제공한다.

칩 중앙의 7각형 렌즈를 바라보는 시각은 어안 렌즈를 통해 보는 것과 비슷하다. 이 카메라에서는 시야의 가장자리에 있는 물체가 가운데보다 작게 표시된다. 중심에서 멀어지면 헵타곤은 작아진다. 이러한 배열은 공진기 회로를 통해 이동하는 마이크로파 광자가 쌍곡선 공간에서 입자처럼 행동하도록 한다.

이 칩의 곡선 공간 시뮬레이션 능력은 블랙홀 주변의 뒤틀린 공간에서 에너지 및 물질 특성을 포함해 양자역학에 대한 새로운 연구를 가능하게 할 수 있다. 또한 이 자료는 수학 그래프 이론(graph theory) 및 통신 네트워크에서 복잡한 관계의 망을 이해하는 데 유용할 수 있다.

메릴랜드대(University of Maryland) 연합 퀀텀 연구소(Joint Quantum Institute)에서 교수직을 수락한 코렐은 “이 연구는 새로운 물질을 창안하는데 유용할 수 있다”며 “수학적 기초를 더 연구하고 회로 내 광자가 상호 작용할 수 있게 하는 노력이 필요하다”고 말했다.

사라 겜블(Sara Gamble) 박사는 “마이크로파 광자는 서로 상호 작용하지 않는다. 그들은 바로 통과한다. 상호작용을 위해 다른 광자라든지 무언가가 필요하다”고 말했다.

이 연구는 미 육군 전투능력개발사령부(Army Combat Capabilities Development Command) 육군연구소(Army Research Laboratory) 프로그램 일환으로 진행됐다.

*Journal Reference:

Alicia J. Kollár, Mattias Fitzpatrick, Andrew A. Houck. Hyperbolic lattices in circuit quantum electrodynamics. Nature, 2019; 571 (7763): 45 DOI: 10.1038/s41586-019-1348-3

*회로 양자 전기역학(Circuit quantum electrodynamics, circuit QED)

회로 양자 전기역학은 빛과 물질 간의 근본적인 상호 작용을 연구하는 수단을 제공gks다. 공동(cavity) 양자 전기역학의 분야에서와 같이, 단일 모드 공동 내의 단일 광자는 양자 객체에 코히런트하게 결합한다.

*양자 전기역학(quantum electrodynamics, QED)

QED는 고전 전자기학을 양자화해 얻는 이론이다. 가장 간단한 형태로는 전하를 가진 디랙 입자(전자, 쿼크 등)와 광자의 상호작용을 다룬다. 디랙 입자와 스칼라 입자 (중간자, 힉스 보손 따위), 벡터 입자(W보존 따위)로 확장할 수 있다. 표준 모형의 일부로 현재 알려진 물리 이론 중 가장 정확하게 실험으로 검증됐다.

리처드 파인먼, 도모나가 신이치로, 프리먼 다이슨, 줄리언 슈윙거 등이 개발, 프리먼 다이슨을 제외한 3명은 이 공로로 1965년 노벨 물리학상을 공동 수상했다.