빛 없이 물체 관측하는 양자역학의 세계

아날로그 방식의 고전 카메라는 카트리지에 사진 필름 롤을 담아 촬영하는 방식을 사용했다. 필름 롤은 매우 미세한 단 하나의 광선과 접촉해도 파괴되는 민감성이 있다. 일상적으로는 카메라 카트리지에 필름이 있는지 육안으로 알 수 있는 방법은 없었다. 그러나 양자 세계에서는 가능하다.

2022년 노벨 물리학상 수상자 중 한 명인 안톤 차일링거(Anton Zeilinger)는 광학을 이용한 상호작용 없는 실험이라는 아이디어를 최초로 구현했다. 핀란드 알토 대학(Aalto University) 과학자들은 양자 역학을 이용해 물체를 간접적으로 측정하고, 양자 세계와 고전적인 세계를 하나로 모을 수 있는 새롭고 훨씬 더 효과적인 방법을 발견했다고 과학 전문 저널 인트리스팅 엔지니어링이 25일 보도했다.

통상적으로 사람은 눈 망막을 통해 사물을 관측하지만 과학자들은 광 흡수가 없거나 빛 없이도 사물을 복제할 수 있다고 추측했다. 이 연구는 빛을 사용해 감광성 필름의 스트립을 손상하지 않고도 사물을 연구할 수 있는 방법이다.

연구팀은 양자 행동을 보이는 초전도 트랜스몬 회로(superconducting transmon circuit)를 사용해 기존의 계측 기기에서 생성된 마이크로파 펄스를 찾았다. 시루티 도그라 박사, 존 J. 매코드, 조르지히 소린 파라오누 등의 학자들로 구성된 안톤 차일링거 연구그룹은 레이저와 거울 대신 마이크로파와 초전도체를 중심으로 연구했다.
파라오누 교수는 “우리는 이 개념을 초전도 장치에 사용할 수 있는 다양한 실험 도구에 적용해야 했다. 그 때문에 표준 상호작용 없는 프로토콜로 변경했다. 그리고 트랜스 몬의 더 높은 에너지를 사용하여 ‘양자성’의 또 다른 계층을 추가했다. 그다음 생성된 3단계 시스템의 양자 일관성을 리소스로 사용했다”고 설명한다.

양자 일관성은 물체가 동시에 두 가지 다른 상태를 점유할 수 있는 양자 물리학적 특성을 의미한다. 그러나 양자 일관성은 깨지고 쉽게 무너지기 때문에 새로운 프로토콜이 작동할지는 명확하지 않았다. 이 연구팀은 첫 번째 실험에서 탐지 효율성이 눈에 띄게 증가한 것을 알게 된 이후 반복적으로 결과를 확인하는 이론적 모델을 실행하고 모든 것을 다시 확인했다. 효과는 확실히 있었다.

도그라 교수는 매우 낮은 전력의 마이크로파 펄스도 자신들이 사용한 프로토콜로 효율적으로 감지할 수 있음을 입증했다고 말한다. 이 실험은 양자 장치가 기존 장치로는 불가능한 결과를 달성할 수 있는 새로운 방법으로, 양자의 이점으로 알려진 현상이다.

​연구원들은 일반적으로 양자 이점을 달성하려면 큐비트가 많은 양자 컴퓨터가 필요하다고 생각하지만, 이 실험은 비교적 간단한 설정만으로도 진정한 양자의 이점을 입증한 것이다.

파라오누는 “양자 컴퓨팅에서 우리 방법은 특정 메모리 요소에서 마이크로파 광자 상태를 진단하는 데 적용될 수 있다. 이것은 양자 프로세서의 기능을 방해하지 않고 정보를 추출하는 매우 효율적인 방법으로 간주될 수 있다”고 설명했다.

파라오누가 이끄는 팀은 물리적 입자가 전송되지 않는 두 당사자 간의 통신과 같은 반사실적(counterfactual) 통신과, 컴퓨터를 사용하지 않고 계산 결과가 얻어지는 경우의 양자 컴퓨팅 통신과 같은 새로운 정보 처리 형태를 탐색하고 있다.

매우 낮은 전력의 마이크로파 펄스를 프로토콜로 검출할 수 있고, 빛 없이도 물체를 볼 수 있는 양자 역학의 세상이 된 것이다.


김진영 글로벌이코노믹 기자