가장 무거운 슈뢰딩거의 고양이

에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)는 1935년 사고 실험에서 동시에 살아 있을 수 있고 죽어 있을 수 있는 고양이를 생각해 냈다. 지금까지 과학자들은 동시에 두 장소에 있는 양자 역학적 중첩 상태의 원자나 분자를 사용하여 그렇게 할 수 있었다.

ETH 고체 물리 연구소(Laboratory for Solid State Physics) Yiwen Chu 교수가 이끄는 연구팀은 이제 작은 결정을 두 진동 상태의 중첩에 두어 훨씬 더 무거운 슈뢰딩거 고양이를 만들었다. 이번 주 사이언스(science) 저널에 발표된 연구 결과는 거시적 세계에서 양자 중첩(quantum superpositions)이 관찰되지 않는 이유를 설명할 수 있다. 연구는 더 강력한 양자 비트 구현으로 이어질 수 있다.

슈뢰딩거의 원래 사고 실험에서 고양이는 방사성 물질, 가이거 계수기, 독이 든 플라스크와 함께 금속 상자 안에 갇혀 있다. 특정 시간 프레임에서 물질 원자는 특정 확률로 양자 역학 과정을 통해 붕괴할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있으며 붕괴 생성물로 인해 가이거 계수기가 작동하여 독이 들어있는 플라스크를 충돌할 수 있다.

외부 관찰자는 중첩 상태 원자가 실제로 붕괴되었는지 여부를 알 수 없기 때문에 고양이가 살아 있는지 죽었는지도 알 수 없다.

“물론 실험실에서는 몇 킬로그램에 달하는 실제 고양이로 그런 실험을 할 수는 없다”고 Chu는 말한다. 대신 연구팀은 원래 원자를 나타내는 초전도 회로와 함께 고양이를 나타내는 진동 결정(crystal)을 사용하여 소위 고양이 상태를 만들었다. 그 회로는 본질적으로 “0” 또는 “1”의 논리적 상태 또는 두 상태의 중첩인 “0+1″을 취할 수 있는 양자 비트 또는 큐비트(qubit)다.

큐비트와 수정 “고양이” 사이의 연결 고리는 가이거 계수기와 독이 아니라 진동하는 동안 결정이 모양을 바꿀 때 전기장을 생성하는 압전 재료 층이다. 그 전기장은 큐빗의 전기장과 결합될 수 있고, 따라서 큐빗의 중첩 상태가 결정으로 전달될 수 있다.

그 결과 결정은 이제 동시에 두 방향(위/아래 또는 아래/위)으로 진동할 수 있다. 이 두 방향은 고양이의 “살아있는” 또는 “죽은” 상태를 나타낸다. “결정의 두 가지 진동 상태를 중첩시켜 16마이크로그램의 슈뢰딩거 고양이를 효과적으로 만들었다”고 Chu는 설명한다. 그것은 대략 미세한 모래 알갱이의 질량이고 고양이의 질량에는 전혀 미치지 못하지만 여전히 원자나 분자보다 수십억 배 더 무겁기 때문에 지금까지 가장 뚱뚱한 양자 고양이가 됐다.

진동 상태가 진정한 고양이 상태가 되려면 거시적으로 구별할 수 있어야 한다. 이는 “위” 및 “아래” 상태의 분리가 결정 내부 원자 위치의 열 또는 양자 요동보다 커야 함을 의미한다. Chu와 그녀의 동료들은 초전도 큐비트를 사용하여 두 상태의 공간적 분리를 측정하여 이를 확인했다. 측정된 간격은 10억분의 10억분의 1미터(원자보다 작음)에 불과했지만 상태를 명확하게 구분할 수 있을 만큼 충분히 컸다.

Chu는 “이것은 실제 고양이의 거시적 세계에서 양자 효과가 사라진 이유를 더 잘 이해할 수 있게 해주기 때문에 흥미롭다”고 말했다.

큐비트에 저장된 양자 정보는 현재 수행되고 있는 단일 원자나 이온에 의존하는 대신 결정에 있는 수많은 원자로 구성된 고양이 상태를 사용하여 더 견고하게 만들 수 있다. 또한 외부 소음에 대한 중첩 상태의 거대한 물체의 극도의 감도는 중력파와 같은 미세한 교란을 정밀하게 측정하거나 암흑 물질을 탐지하는 데 이용될 수 있다.