원자 활용한 양자 얽힘 강화로 양자컴퓨팅 새 도약 기대

양자 얽힘(quantum entanglement)을 강화하기 위한 다단계 원자 상호작용 연구가 양자 컴퓨팅 분야에 새로운 가능성을 제시하고 있다.

새로운 연구는 스트론튬 원자의 준안정 상태(metastable state)를 활용하여 광자 교환을 통해 상관 관계를 유지할 수 있음을 보여준다. 복잡한 장거리 상호작용을 관리하는 것은 여전히 과제로 남아 있다.

원자와 빛의 상호작용은 물리적 세계의 근간이지만 복잡하다. 이 상호작용을 이해하고 제어하는 것은 양자 기술 발전의 핵심 과제이다. 일반적으로 과학자들은 두 개의 에너지 준위에 초점을 맞춰 시스템을 단순화하며, 원자는 작은 안테나처럼 작동하여 광자를 방출하고 흡수한다. 원자가 들뜬 상태에서 바닥 상태로 돌아오면 광자를 방출하고, 이 광자는 근처의 다른 원자에 흡수되며 에너지를 전달하게 된다. 이 과정은 쌍극자-쌍극자 상호작용으로 알려져 있으며, 원자들이 직접 접촉하지 않고도 상호작용할 수 있도록 한다.

미국 콜로라도 대학교 볼더 캠퍼스의 물리학 교수인 아나 마리아 레이(Ana Maria Rey)는 “기본 개념은 단순하지만, 많은 원자들 사이에서 광자 교환이 일어나면 시스템은 빠르게 얽힌 상태가 된다”고 설명한다. JILA 및 NIST 연구원을 겸하는 그녀는 “하나의 원자를 독립적인 객체로 생각할 수 없으며 배열 내 다른 원자들의 상태에 어떻게 의존하는지를 추적해야 한다. 이는 현재의 계산 방법으로는 처리하기 어렵다”고 덧붙였다. 외부 구동이 없으면 생성된 얽힘은 일반적으로 사라진다.

두 단계 시스템은 분석하기 쉽지만 양자 기술에는 덜 유용하다. 추가적인 에너지 준위를 도입하면 시스템의 복잡성이 기하급수적으로 증가하는데, 원자당 하나의 추가 바닥 상태를 도입하면 시스템의 가능한 구성이 크게 늘어난다. 레이는 “다단계 시스템은 외부 구동 없이도 지속적인 얽힘 상태를 생성할 수 있으며, 바닥 상태의 원자는 붕괴되지 않는다”고 설명한다. 그러나 이러한 상호작용을 이해하는 것은 이론가와 실험가 모두에게 어려운 도전이었다.

최근 Physical Review Letters에 발표된 연구에서 레이는 연구팀과 함께 4단계 원자 시스템에서 원자-빛 상호작용을 연구했다. 이 시스템은 두 개의 바닥 상태와 두 개의 들뜬 상태로 구성되며, 1차원 및 2차원 결정 격자 배열에서 연구되었다. 연구의 주저자인 사나 아가르왈(Sanaa Agarwal)은 “다단계 원자의 전체 구조를 포함하면 더 풍부한 물리적 현상과 새로운 현상을 발견할 수 있으며, 이는 얽힘 상태 생성에 유망하다”고 전했다. 이는 양자 컴퓨팅과 보안 통신에 필수적인 얽힘을 이해하는 데 중요하다.

연구진은 스트론튬 원자의 네 가지 에너지 준위를 1D 및 2D 배열에서 분리하면서, 전통적인 바닥 상태 대신 오랜 시간 동안 머무를 수 있는 준안정 상태(metastable state)를 사용했다. 이를 위해 특수한 장파장 레이저가 필요하며, 톰슨은 이를 실험실에 도입할 계획이다. 톰슨은 “원자를 준안정 상태로 들뜨게 해 원자들이 가까이 있을 때 광자 교환을 통해 강한 상호작용을 일으키도록 할 것”이라고 설명했다. 아가르왈은 “원자들이 매우 가까이 있어야 하며, 상호작용은 거리에 따라 약해지고, 디코히어런스(decoherence, 결어긋남) 때문에 얽힘이 방해받을 수 있다”고 덧붙였다.

연구진은 약하고 공명에서 먼 영역에서 원자들이 가상으로 광자를 교환하며 들뜬 상태를 영구적으로 점유하지 않고 바닥 상태 사이를 이동하는 현상을 연구했다. 이를 통해 준안정 상태의 동역학에 집중할 수 있었고, 레이저가 꺼진 후에도 얽힘이 유지되는 것을 관찰했다.

4단계 문제를 복잡한 상호작용을 가진 2단계 시스템으로 축소함으로써 연구진은 준안정 상태 동역학을 잘 알려진 스핀 모델로 매핑하였다. 그들은 격자 전체에 걸쳐 스핀 파동, 즉 원자 스핀의 조정된 저에너지 여기를 연구하였다. 레이저의 편광과 광자 방향을 제어함으로써, 어떤 스핀 파동 패턴이 얽힘 상태로 전환되는지를 결정할 수 있었다.

관찰된 얽힘은 스핀 스퀴징(spin squeezing)으로 나타났다. 스핀 스퀴징은 외부 노이즈에 대한 민감도가 높아 측정학에 유용하다. 아가르왈은 “스핀 스퀴징은 양자 얽힘의 증거로 작용하며, 다체 물리 시뮬레이션에도 적용 가능하다”고 설명하였다. 이 결과는 양자 시스템이 외부 개입 없이도 오랜 시간 동안 얽힘을 유지할 수 있다는 것을 시사한다.

연구진은 시간에 따른 시스템 시뮬레이션에서 한계에 직면하였다. 쌍극자-쌍극자 상호작용(dipole-dipole interactions)은 장거리 힘을 포함하며, 이는 이방성(anisotropic)이고 복잡하다. 기존의 단거리 상호작용 시뮬레이션 방법은 이러한 복잡성을 처리하기 어려웠고, 더 적합한 방법도 계산 복잡성으로 인해 소수의 원자로 제한되었다.

이 연구 결과는 양자 정보 과학과 컴퓨팅 분야에서 확장 가능한 고도로 얽힌 시스템 개발에 기여할 수 있다. 아가르왈은 “우리는 얽힘을 안정적으로 유지할 수 있는 시스템에 점점 더 가까워지고 있다”고 강조하였다.

연구진은 앞으로 스트론튬 원자와 같이 최대 10개의 바닥 및 들뜬 상태를 가진 더 큰 다단계 시스템을 탐구할 계획이다. 또한, 원자를 광학 공동(optical cavity)이나 나노포토닉 장치 내에 배치했을 때 상호작용이 어떻게 변화하는지를 연구할 예정이다.

톰슨은 “공동 매개 무한 범위 상호작용과 쌍극자-쌍극자 상호작용 간의 경쟁은 양자 게이트, 얽힘 분배, 프로그래밍 가능한 다체 물리학(quantum many-body physics)을 위한 새로운 기회를 열 수 있다”고 결론지었다.