양자 기술, 첨단 센서와 미래의 양자 컴퓨터를 포함하여, 얽힘에 의존합니다. 이는 입자들이 서로 영향을 주고받아 고전 물리학자에게 두통을 유발할 정도로 기묘한 연결입니다. 이러한 멋진 얽힘 상태를 만드는 데는 전통적으로 정교한 장비와 신중하게 설계된 실험 시스템이 필요했습니다. 물리학에서 가치 있는 것은 쉽게 얻을 수 없으니까요.
시카고 대학교 프리츠커 분자공학대학(UChicago PME)의 연구자들은 이제 훨씬 간단한 접근법을 제안했습니다. 그들의 새로운 이론적 방법은 많은 양자 물리학 실험실에서 이미 흔히 사용되는 도구를 사용하여 다양한 얽힘 양자 상태를 생성하고 제어할 수 있습니다. 이 연구는 Physical Review X에 게재되었으며, 초정밀 양자 센싱을 발전시키고 기초 물리학 탐구에 새로운 기회를 열 수 있습니다.
“우리는 많은 물리적 플랫폼에서 찾을 수 있는 간단한 재료를 최소한의 방식으로 결합하여 흥미롭고 복잡하며 강력한 것을 얻고자 했습니다.”라고 UChicago PME의 분자공학 교수이자 이번 연구의 수석 저자인 Aashish Clerk가 말했습니다. 이 연구는 미국 에너지부(DOE)의 아르곤 국립연구소가 이끄는 DOE 국가 양자 정보 과학 연구 센터인 Q-NEXT의 지원을 받았습니다.
팀의 접근법은 공동 양자 전기역학(cavity QED)에 기반합니다. 여기서 원자는 광학 공동(두 개의 거울 사이에 빛을 가두는 장치) 안에 배치됩니다. 그러면 입자들은 갇힌 빛과 상호작용합니다. 문제는? 많은 공동 QED 시스템에서 모든 원자가 빛과 정확히 같은 방식으로 상호작용하여 사실상 구별할 수 없게 되고, 생성될 수 있는 양자 상태의 범위가 제한된다는 점입니다.
“도전 과제는 항상 이러한 시스템이 너무 많은 대칭성을 가진다는 점이었습니다.”라고 Clerk는 말했습니다. “모든 원자가 같은 방식으로 빛과 대화합니다. 이는 얻을 수 있는 얽힘 상태의 종류를 크게 제한합니다.”
연구자들은 간단한 해결책을 찾았습니다. 모든 원자가 동일한 레이저에 의해 구동되는 동안, 추가 레이저나 자기장이 다른 원자 그룹의 들뜬 상태 에너지를 이동시킵니다. 각 원자는 동일하지만 반대 부호의 에너지 오프셋을 가진 다른 원자와 짝을 이룹니다. 이 간단한 수정은 시스템을 제어 가능하고 예측 가능하게 유지하면서 대칭성을 깨뜨립니다. 과학자들은 어떤 원자가 특정 에너지 이동을 받는지 조정함으로써 하드웨어를 변경하지 않고도 다양한 얽힘 상태를 생성하도록 시스템을 조정할 수 있습니다.
“이 레이저들을 켜고 기다리면, 어느 순간 시스템이 흥미롭고 고도로 얽힌 양자 상태로 안정화됩니다.”라고 Clerk 그룹의 박사후 연구원이자 이번 연구의 제1저자인 Anjun Chu가 말했습니다. “단순히 레이저를 조정함으로써 이전에 아무도 생각하지 못했던 종류의 얽힘 상태에 접근할 수 있습니다.”
유망한 응용 분야 중 하나는 양자 센싱입니다. 얽힘 양자 상태는 서로 다른 위치 사이의 자기장이나 중력장의 미세한 차이를 감지할 수 있습니다. 그러나 높은 감도와 잡음에 대한 내성을 동시에 갖춘 상태를 개발하는 것은 주요 과제였습니다. 연구자들은 두 그룹의 원자로 구성된 시스템 버전이 필드 구배를 측정할 수 있음을 보여주었습니다. 두 원자 앙상블을 다른 위치에 배치하면, 결과로 얻어지는 양자 상태는 국소 자기장이나 중력장의 차이를 반영하면서 두 위치에 동일하게 영향을 미치는 배경 잡음은 제거합니다.
“일반적으로 양립할 수 없는 두 가지를 동시에 할 수 있습니다. 얽힘을 사용하여 매우 민감한 센서를 구축하면서도 임의로 큰 잡음에 대한 강건성을 확보하는 것입니다.”라고 Clerk는 말했습니다. “보통 얽힘은 매우 취약합니다. 이 접근법은 놀라운 회복력을 가지고 있습니다.”
또 다른 장점: 이러한 양자 상태에 저장된 정보는 표준 Ramsey 측정 기술을 사용하여 추출할 수 있어 특수 방법이 필요하지 않습니다. 연구자들은 또한 동일한 플랫폼이 생성할 수 있음을 보여주었습니다.