양자컴퓨터와 초정밀 센서를 더 강력하게 만들 수 있는 새로운 양자 상태를 만드는 일이 생각보다 훨씬 쉬워질 수 있다는 연구 결과가 나왔다. 연구진은 기존 양자 실험 장치에 아주 작은 변화만 줘도 복잡하고 강력한 ‘얽힘 상태’를 다양하게 만들어낼 수 있다고 밝혔다.
레이저 조금 바꿨더니…강력한 양자 얽힘 상태 생성
연구진은 기존 양자 광학 장치에 간단한 조정만 더하면 매우 복잡한 양자 얽힘 상태를 만들어낼 수 있다는 이론적 방법을 제안했다.
양자 기술의 핵심에는 ‘양자 얽힘’이라는 현상이 있다. 이는 입자들이 서로 깊게 연결돼 먼 거리에 있어도 마치 하나처럼 영향을 주는 상태를 말한다. 미래 양자컴퓨터와 초정밀 센서 대부분은 이런 얽힘 상태에 의존한다.
하지만 지금까지 필요한 수준의 복잡한 얽힘 상태를 만들려면 매우 정교한 장비와 복잡한 실험 설계가 필요했다. 그래서 기술적 장벽이 컸다.
연구진은 기존 실험실에 이미 있는 장비만으로 문제를 풀 수 있다고 봤다. 핵심은 ‘광학 공동(cavity)’ 안에 있는 원자들의 에너지 상태를 조금씩 다르게 만드는 것이다.
기존 방식에서는 모든 원자가 빛과 똑같은 방식으로 상호작용했다. 쉽게 말해 모두가 똑같이 행동하는 셈이다. 이런 지나친 대칭성 때문에 만들어낼 수 있는 양자 상태 종류가 제한됐다.
연구진은 여기에 작은 변화를 줬다. 모든 원자를 같은 레이저로 비추되, 일부 원자 집단에는 추가 레이저나 자기장을 이용해 들뜬 상태의 에너지를 조금씩 다르게 조정했다. 서로 짝을 이루는 원자는 반대 방향의 에너지 변화를 갖도록 설계했다.
이렇게 하면 원자들이 완전히 같은 방식으로 움직이지 않으면서도 시스템 전체는 여전히 안정적이고 제어 가능한 상태를 유지할 수 “있다. 연구진은 어떤 원자의 에너지를 얼마나 조정하느냐에 따라 다양한 양자 얽힘 상태를 만들 수 있다고 설명했다.
한 연구 참가자는 “레이저를 켜고 기다리기만 하면 어느 순간 시스템이 매우 흥미롭고 강하게 얽힌 양자 상태로 안정된다”며 “레이저를 조금 조정하는 것만으로 기존에는 생각하지 못했던 새로운 얽힘 상태를 만들 수 있다”고 말했다.
양자 센서 성능 높인다…잡음엔 더 강해질 수도
이번 방법의 가장 유망한 활용처 중 하나는 초정밀 양자 센서다.
이론적으로 양자 얽힘 상태는 자기장이나 중력장의 아주 미세한 차이도 감지할 수 있다. 하지만 기존에는 센서 감도는 높이면서 동시에 외부 잡음에는 강한 상태를 만드는 일이 매우 어려웠다.
연구진은 원자 집단 두 개를 이용한 실험 설계를 통해 이 문제를 해결할 가능성을 제시했다. 서로 다른 장소에 원자 집단을 두면 지역 간 자기장 또는 중력장 차이를 매우 정밀하게 측정할 수 “있다. 동시에 두 장소에 똑같이 영향을 주는 배경 잡음은 자연스럽게 제거된다.
한 연구 책임자는 “보통은 서로 양립하기 어려운 두 가지를 동시에 달성할 수 있다”며 “얽힘을 이용해 매우 민감한 센서를 만들면서도 엄청난 수준의 잡음에 견디는 능력을 얻을 수 있다”고 설명했다.
특히 기존 측정 장비를 그대로 활용할 수 있다는 점도 장점이다. 별도의 특수 장비 없이 일반적인 ‘램지 측정법’을 이용해 양자 상태 정보를 읽어낼 수 있다고 연구진은 밝혔다.
연구진은 또 같은 방식으로 ‘AKLT 상태’라는 독특한 다체 얽힘 상태도 만들 수 있다고 설명했다. 이는 1980년대 처음 제안된 양자 상태로, 복잡한 자기 물질 연구뿐 아니라 미래 양자컴퓨터 개발에도 활용 가능성이 있는 것으로 평가된다.
다만 이번 연구는 아직 이론 단계다. 연구진은 현재 다른 연구팀과 실제 실험 가능성을 논의하고 있으며, 더 다양한 양자 상태를 만들 수 있는 방법도 탐색 중이라고 밝혔다. 그러면서 “복잡한 범용 양자컴퓨터가 완성되기 전이라도, 단순한 장치만으로 기존 컴퓨터가 할 수 없는 일을 가능하게 하는 양자 상태를 먼저 만들 수 있다는 희망을 보여준다”고 강조했다.
성치훈 기자/ hello@sciencewave.kr
출처: ScienceDaily, “Scientists found a surprisingly simple way to create powerful quantum states”
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