양자 혼돈에서 찾은 새로운 가능성

양자 혼돈(quantum chaos)을 이해하는 이론적 돌파구는 양자 정보 및 양자 컴퓨팅, 다물체 물리학, 블랙홀 등 양자 시스템을 연구하는 새로운 길을 열 수 있다.

미국 로스 알라모스 국립 연구소(Los Alamos National Laboratory, LANL) 이론 물리학자 아바드 색세나(Avadh Saxena)는 “열린 양자 시스템에 균형 잡힌 에너지 이득과 손실을 적용함으로써 주변 환경과의 상호 작용이 양자 혼돈을 감소시킬 것이라고 가정한 이전에 가졌던 한계를 극복하는 방법을 찾았다. 이 발견은 양자 시뮬레이션 및 양자 정보 이론 연구의 새로운 방향을 제시한다”고 말했다.

Saxena는 Physical Review Letters에 양자 혼돈에 관한 논문을 발표한 연구 팀의 일원이다.

개방 양자 시스템에서 에너지 이득과 손실의 균형을 대칭적으로 조정함으로써 LANL 물리학자들은 양자 혼돈과 결맞음(Coherence)에 대한 오랜 이론에 도전했다.

양자 혼돈은 고전 물리학 혼돈 이론과 다르다. 후자는 초기 조건에 매우 민감한 결정적이거나 무작위가 아닌 패턴 및 시스템을 이해하려고 한다. 소위 나비 효과는 텍사스에서 나비의 날개짓이 어리둥절할 정도로 복잡하지만 무작위가 아닌 원인과 결과의 연쇄를 통해 캔자스에서 토네이도를 일으킬 수 있는 가장 친숙한 예다.

반면에, 양자 혼돈은 양자 이론의 관점에서 혼돈의 고전적 역학 시스템을 설명한다. 양자 혼돈은 블랙홀과 같은 복잡한 시스템에서 발생하는 정보의 스크램블링을 담당한다. 그것은 시스템의 특성 모드와 주파수 사이의 상관 관계의 형태로 시스템의 에너지 스펙트럼에 나타난다.

양자 시스템이 시스템 외부의 환경과 결합하여 결맞음 또는 “양자성(quantumness)”을 잃으면 양자 혼돈의 서명이 억제된다고 믿어져 왔다. 즉, 양자 정보나 조작 가능한 상태로 악용될 수 없다.

그것은 완전히 사실이 아닌 것으로 밝혀졌다. Saxena, 룩셈부르크 대학 물리학자 Aurelia Chenu, Adolfo del Campo, 공동 연구자들은 어떤 경우에는 양자 혼돈의 역학 서명이 실제로는 억제되지 않고 향상된다는 것을 발견했다.

Saxena는 “우리의 작업은 결맞음이 일반적으로 양자 혼돈을 억제한다는 기대에 도전한다”고 말했다.

양자 시스템 스펙트럼의 에너지 값은 이전에 복소수, 즉 허수 성분이 있는 숫자로 생각됐기 때문에 실험 환경에서는 유용하지 않다. 그러나 연구팀은 시스템의 대칭적인 지점에서 에너지 이득과 손실을 추가함으로써 이득 또는 손실의 강도가 임계값 미만인 경우 에너지 스펙트럼에 대한 실제 값을 찾았다.

del Campo는 “균형된 에너지 획득 및 손실은 복잡한 다물체 양자 시스템의 이론 및 수치 연구에서 도처에 있는 일종의 에너지 스펙트럼 필터링을 실험실에서 실현할 수 있는 물리적 메커니즘을 제공한다. 특히, 에너지 디페이징(dephasing)의 균형 잡힌 에너지 이득 및 손실은 최적의 스펙트럼 필터로 이어진다. 따라서 양자 혼돈을 조사할 뿐만 아니라 일반적으로 다체 양자 시스템을 연구하기 위한 실험 도구로 균형 잡힌 에너지 획득 및 손실을 활용할 수 있다”고 말했다.

Saxena와 del Campo는 결맞음(decoherence)을 변경함으로써 필터를 통해 시스템의 에너지 분포를 더 잘 제어할 수 있다고 설명했다. 이는 양자 정보에 유용할 수 있다.

Saxena는 “결맞음은 양자 컴퓨팅을 제한하므로 양자 혼돈을 증가시키면 결맞음이 줄어들기 때문에 컴퓨팅을 더 오래 유지할 수 있다”라고 말했다.

팀의 논문은 Carl Bender와 Stefan Boettcher의 이전 이론 작업을 기반으로 한다. 그들은 20세기 초부터 받아들여진 패러다임과는 반대로, 일부 양자 시스템은 해밀턴이 Hermitian이 아니더라도 특정 대칭 아래에서 실제 에너지를 산출한다는 것을 발견했다. 즉, 특정 수학적 관계를 충족한다는 의미다. 일반적으로 이러한 시스템을 not Hermitian 해밀턴이라고 한다. Hamiltonian은 시스템의 에너지를 정의한다.

이 연구 논문은 특정 지점에서 도파관으로 에너지를 펌핑하는 예(이득, 에너지를 다시 내보내는 손실)를 대칭적으로 연구했다. 도파관은 환경과 에너지를 교환할 수 있는 개방형 시스템이다. 그들은 결어긋남(decoherence)을 일으키지 않고 그 과정과 상호작용이 결맞음(coherence)과 양자 혼돈(quantum chaos)을 증가시킨다는 것을 발견했다.