양자 얽힘 정보 추출 새로운 돌파구

얽힘은 두 개 이상의 입자의 특성이 더 이상 각 개별 입자에 명확한 상태를 할당할 수 없는 방식으로 상호 연결되는 양자 현상이다. 입자의 얽힘(entanglement)은 궁극적으로 재료의 특성을 결정한다.

Nature에 발표된 논문의 제1 저자 중 한 명인 Christian Kokail은 “많은 입자의 얽힘이 차이를 만드는 특징이다. 그러나 동시에 결정하는 것은 매우 어렵다”고 말했다.

인스브루크 대학 Peter Zoller와 오스트리아 과학 아카데미(ÖAW) 양자 광학 및 양자 정보 연구소(IQOQI)가 이끄는 연구원들은 이제 양자 물질의 얽힘에 대한 연구와 이해를 크게 향상시킬 수 있는 새로운 접근 방식을 제공했다.

대규모 양자 시스템을 설명하고 기존 얽힘에 대한 정보를 추출하려면 순진하게는 불가능할 정도로 많은 수의 측정을 수행해야 한다. 이론물리학자인 Rick van Bijnen은 “우리는 훨씬 더 적은 수의 측정으로 시스템에서 얽힘 정보를 추출할 수 있는 보다 효율적인 설명을 개발했다”라고 설명한다.

51개의 입자가 있는 이온 트랩 양자 시뮬레이터에서 과학자들은 입자를 입자별로 재현하고 통제된 실험실 환경에서 연구함으로써 실제 물질을 모방했다. Christian Roos와 Rainer Blatt가 이끄는 인스브루크 실험 물리학자만큼 많은 입자를 제어하는 데 필요한 연구 그룹은 전 세계적으로 거의 없다.

Manoj Joshi는 “여기서 우리가 직면한 주요 기술적 과제는 트랩에 갇힌 51개 이온을 제어하고 개별 큐비트 제어 및 판독의 타당성을 보장하면서 낮은 오류율을 유지하는 방법”이라고 설명했다.

그 과정에서 과학자들은 이전에는 이론적으로만 설명되었던 실험의 효과를 처음으로 목격했다. 최근 하버드 광학물리학 이론원자분자연구소에 합류한 Kokail은 “여기서 우리는 지난 몇 년간 함께 힘들게 연구해 온 지식과 방법을 결합했다. 오늘날 이용 가능한 자원으로 이러한 일을 할 수 있다는 것이 인상적이다”라고 말했다.

양자 물질에서 입자는 어느 정도 강하게 얽힐 수 있다. 강하게 얽힌 입자를 측정하면 무작위 결과만 나온다. 측정 결과가 크게 변동하는 경우, 즉 순전히 무작위인 경우 과학자들은 이를 “핫”하다고 부른다. 특정 결과가 나올 확률이 높아지면 그것은 ‘차가운’ 양자물체다. 얽힌 모든 물체를 측정해야만 정확한 상태가 드러난다.

매우 많은 입자로 구성된 시스템에서는 측정에 드는 노력이 엄청나게 증가한다. 양자장 이론은 얽힌 많은 입자로 구성된 시스템의 하위 영역에 온도 프로파일이 할당될 수 있다고 예측했다. 이러한 프로파일은 입자의 얽힘 정도를 도출하는 데 사용될 수 있다.

인스브루크 양자 시뮬레이터에서 이러한 온도 프로파일은 컴퓨터와 양자 시스템 간의 피드백 루프를 통해 결정되며, 컴퓨터는 지속적으로 새로운 프로파일을 생성하고 이를 실험의 실제 측정값과 비교한다.

연구진이 얻은 온도 프로파일은 환경과 강하게 상호작용하는 입자는 “뜨거운” 입자이고, 거의 상호작용하지 않는 입자는 “차가운” 입자임을 보여준다.

Kokail은 “이것은 입자 사이의 상호 작용이 강한 곳에서 얽힘이 특히 크다는 기대와 정확히 일치한다”고 말했다.

Zoller는 “우리가 개발한 방법은 상관된 양자 물질의 대규모 얽힘을 연구하기 위한 강력한 도구를 제공한다. 이는 오늘날 이미 사용할 수 있는 양자 시뮬레이터를 사용하여 새로운 종류의 물리적 현상을 연구할 수 있는 문을 열어준다. 클래식 컴퓨터에서는 이러한 시뮬레이션을 더 이상 합리적인 노력으로 계산할 수 없다”고 말했다.