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- 스핀 세차운동을 측정해 스핀상태 양자적 특성을 증명하기 위해 처음으로 프로토콜 개발
- 안티몬의 양자 물리적 중첩의 경우 0과 1만 있는 것이 아니라 여러 가지 조합 있음 의미
- 이러한 비고전적 상태는 고전 물리학의 한계를 크게 위반하여 한계보다 19표준편차 높다.
- 컴퓨팅 장치로 큐디트를 사용하면, 간섭에 대한 저항력이 더 커질 수 있다.
- 이를 통해 양자 컴퓨터의 오류율도 줄어들 것

슈뢰딩거의 고양이가 7번의 생명을 얻다.
물리학자들은 다중 스핀 상태를 갖는 한 원자의 중첩을 입증했다.

동시에 죽어 있기도 하고 살아 있기도 하다:
물리학자들은 처음으로 양자 중첩의 다중 형태를 명확하게 입증했으며, 이로써 "슈뢰딩거의 고양이" 비유를 일곱 번 더 확장했다. 그들의 실험에서는 8개의 스핀 상태를 가진 안티몬 원자가 "양자 고양이"를 형성한다. 새로운 측정 방법은 이러한 스핀도 중첩을 보인다는 것을 보여주며, 이는 명백하게 증명될 수 있다. 이를 통해 양자 컴퓨팅에 새로운 가능성이 열렸다. 

▲ 실리콘 칩의 안티몬 원자(왼쪽)와 외부 자기장 내의 8가지 양자 물리적 스핀 상태. © Vaartjes et al.; arXiv/ Nature Physics, CC-by-nc-nd 4.0c

슈뢰딩거 고양이의 유명한 사고 실험은 중첩의 양자적 물리적 현상을 설명한다. 고양이 한 마리가 방사성 물질과 독극물이 있는 상자 안에 앉아 있다. 핵붕괴가 일어나면 죽는다. 하지만 이것이 사실인지는 다시 살펴봐야지만 분명해진다. 그 전 그의 상태는 불확실하다. 그는 동시에 죽었 있기도 하고 살아 있기도 하다. 동일한 것이 중첩된 양자 입자에도 적용된다. 즉, 측정만이 입자의 상태를 결정한다.

물리학자들은 이미 다양한 입자에서 이러한 "고양이 상태"를 입증했다. 모바일 버전과 두 개의 상자에 동시에 들어 있는 "양자 고양이"가 이미 구현되었다.

0과 1 대신 8개의 스핀 상태

하지만 하나의 양자 입자가 두 개 이상의 상태를 가지고 있다면 어떨까? 예를 들어, 특정 칼슘 이온과 안티몬 원자가 그렇다. "안티몬은 강한 자기적 핵스핀을 가진 무거운 원자다. 이를 통해 원자 스핀이 여덟 가지 다른 방향으로 나아갈 수 있다"고 공동 저자인 시드니의 뉴 사우스 웨일즈 대학(UNSW)의 시 유(Xi Yu)가 설명했다. "이것은 이 시스템의 동작을 완전히 바꿔 놓는다.”

구체적으로 말하면, 안티몬의 양자 물리적 중첩의 경우 0과 1만 있는 것이 아니라 여러 가지 상상할 수 있는 조합이 있다는 것을 의미한다. "반대 방향을 가리키는 안티몬 스핀이 겹치면 그 사이에 중첩을 보일 수 있는 여러 양자 상태가 존재한다"고 Yu는 설명했다. 장점은 여러 스핀 상태를 가진 이러한 원자는 양자 컴퓨터에서 0과 1 이상을 계산하는 단위인 큐디트(Qudits)로 사용될 수 있다.

"양자 고양이"로서의 안티몬 원자

그러나 문제는 지금까지 이러한 다중 스핀 상태를 가진 원자가 실제로 양자 중첩을 나타내는지 논란의 여지가 있었다는 것이다. 물리학자들의 설명에 따르면, 이러한 양자 상태에 대한 일반적인 테스트는 개별 입자에 적용하기 어렵거나 감지하기 어려운 매개변수를 사용해 병렬 또는 반복 측정이 필요하다. 따라서 Yu가 이끄는 팀과 UNSW의 수석 저자인 Arjen Vaartjes는 더 나은 테스트 방법을 찾았고, 그것을 발견했다.

물리학자들은 "우리는 스핀 세차운동을 측정해 스핀 상태의 양자적 특성을 증명하기 위해 처음으로 프로토콜을 개발했다"고 보고했다. 세차운동은 스핀이 외부 자기장에 반응하여 흔들리는 운동이다. Vaartjes와 그의 동료들은 실험을 위해 슈뢰딩거의 고양이와 동일한 현실 세계의 8개 스핀 상태를 갖는 안티몬 원자핵을 사용했다.

물리학자들은 이 원자적 "양자 고양이"를 특별히 개발된 실리콘 양자 칩에 넣었다. 이를 통해 연구팀은 안티몬의 스핀을 조작하고 동시에 측정할 수 있었다.

간섭 패턴은 중첩을 알려준다.

측정 결과, 스핀의 양자적 물리적 중첩을 나타내는 특정한 간섭 패턴이 밝혀졌다. "이 진동 패턴은 중첩된 고양이 상태의 양자 간섭을 통해서만 발생한다"고 Vaartjes와 그의 팀은 설명했다. "이러한 비고전적 상태는 고전 물리학의 한계를 크게 위반하여 한계보다 19표준편차 높다."

이 실험은 여러 개의 스핀을 가진 입자도 중첩 상태로 만들 수 있다는 것을 처음으로 보여주었다. 실험에서 물리학자들은 8개의 안티문 스핀의 다른 쌍에서 이러한 중첩을 발견했다. "우리의 은유적 양자 고양이는 일곱 개의 삶을 가지고 있다”고 유는 말했다.

더욱 강력한 양자 컴퓨터의 기회

이 증명은 미래의 양자 컴퓨터에 특히 관련이 있다. 그들이 컴퓨팅 장치로 큐디트를 사용한다면, 간섭에 대한 저항력이 더 커질 수 있다. 이를 통해 양자 컴퓨터의 오류율도 줄어들 것이다. 물리학자들의 설명에 따르면, 8개의 스핀 상태를 가진 큐디트의 경우 0을 1로 바꾸려면 7개의 오류가 필요할 것이다.

"슈뢰딩거 고양이의 은유를 따르자면, 우리 고양이는 긁힐 뿐 즉시 죽지 않는다." 뉴사우스웨일즈 대학교의 수석 저자인 안드레아 모렐로의 설명이다. "우리는 그 긁힌 자국을 보면 문제가 있었다는 걸 알죠. 그러면 고양이가 더 피해를 입기 전에 문제가 무엇인지 알아볼 수 있다." 물리학자들은 이 방법을 사용하여 특히 높은 수준의 내결함성을 갖춘 Qudit-양자 컴퓨터를 개발하려고 한다. 이는 실제로 사용 가능한 더 큰 규모 양자 컴퓨팅의 전제 조건으로 생각한다.
(Nature Physics, 2025; doi: 10.1038/s41567-024-02745-0)
출처: Nature Physics, University of New South Wales

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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