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슈뢰딩거의 고양이"의 양자 현상은 초저온 기저 상태에서만 작동하는 것이 아니다. 열적으로 들뜬(뜨거운) 양자 입자조차도 양자 물리적 중첩 상태로 만들 수 있다는 것이 실험을 통해 입증돼

슈뢰딩거의 고양이도 뜨거워진다
물리학자들은 열적으로 들뜬 상태에서 양자 중첩을 생성했다.

"뜨거운" 양자 고양이:
"슈뢰딩거의 고양이"의 양자 현상은 초저온 기저 상태에서만 작동하는 것이 아니다. 열적으로 들뜬(뜨거운) 양자 입자조차도 양자 물리적 중첩 상태로 만들 수 있다는 것이 실험을 통해 입증되었다. 물리학자들은 주변 환경보다 60배나 더 뜨거운 초전도 양자 비트를 중첩시켰다. 연구팀은 "Science Advances"에서 이것이 양자 응용 분야에 새로운 가능성을 열어준다고 밝혔다. 

▲ 실험에 따르면, 양자 물리적 중첩 상태, 즉 슈뢰딩거의 고양이는 기저 상태까지 식지 않은 "뜨거운" 양자 입자에서도 생성될 수 있다. © Universität Innsbruck/ Harald Ritsch

중첩 상태에서 양자 객체는 동시에 두 가지 상태로 존재한다. 물리학자 에르빈 슈뢰딩거는 그의 유명한 사고 실험에서 이 양자 현상을 설명했다. 고양이 한 마리가 방사성 물질과 독극물이 있는 상자 안에 앉아 있다. 부패가 일어나면 죽는다. 하지만 당신이 보지 않는 한 그녀의 상태는 불확실하다. 고양이는 죽었기도 하고 살아있기도 하다. 이것은 중첩과 비슷하다. 즉, 측정만이 양자 입자의 상태를 결정한다.

물리학자들은 이미 다양한 양자 입자와 거의 거시적인 물체에서 이러한 "고양이 상태"를 입증했다. 모바일 버전과 7개의 생명을 가진 "양자 고양이"도 구현되었다.

▲ 에르빈 슈뢰딩거의 사고 실험에서 고양이는 동시에 죽어 있고 살아 있을 수 있다. 단, 당신이 상자 안을 들여다보지 않는 한 말이다. © Dhatfield/ CC-by-sa

기본 상태를 넘어서도 중첩이 가능할까?

하지만 지금까지 슈뢰딩거의 고양이의 모든 버전에서 공통적으로 발견된 것은 중첩이 일어나기 위해서는 입자가 기저 상태, 즉 가능한 가장 낮은 에너지와 운동 상태까지 냉각되어야 한다는 것이다. "우리는 '차가운' 기저 상태에서 시작하지 않으면 그러한 양자 효과가 생성될 수 있는지 알고 싶었다"고 인스브루크 대학의 수석 저자 게르하르트 키르히마이어가 설명했다.

열적으로 들뜬 양자 입자도 중첩될 수 있을까?

물리학자들은 실험을 위해 초전도 전하점이 양자비트 역할을 하는 양자 칩을 제작했다. 칩에 에칭된 구조는 마이크로파 공진기 역할을 했다. 즉, 큐비트를 중첩시키는 환경을 형성하고 동시에 큐비트의 상태를 감지할 수 있게 했다. 전체 앙상블은 먼저 30mK(밀리켈빈)까지 냉각되었다. 이는 절대 영도보다 3만분의 1도 높은 온도다.

"뜨거운" 큐비트의 코히어런스

중요한 점은 기존의 슈뢰딩거 고양이 실험과는 달리 물리학자들이 큐비트를 여기시켜 온도를 1.8K(켈빈)으로 만들었다는 것이다. 이는 주변 온도보다 약 60배 더 따뜻했다. 연구팀은 이러한 "뜨거운" 큐비트를 중첩의 고양이 상태로 만들기 위해 두 가지 일반적인 양자 프로토콜을 사용했다. 지금까지 이것들은 "차가운" 고양이 상태에만 사용되었다. "뜨거운" 큐비트에도 작동할까?

▲ 중앙의 간섭 패턴은 '뜨거운' 큐비트가 중첩 상태에 있음을 나타낸다. © IQQOI Innsbruck

사실, 물리학자들은 큐비트를 중첩 상태로 만드는 데 성공했다. 즉, 슈뢰딩거의 고양이와 같은 것이 되었다. 이는 마이크로파 공진기에서 발생하는 특정 간섭 패턴을 통해 측정할 수 있었다. 바르셀로나 광자연구소(ICFO)의 수석 저자인 오리올 로메로-이사르트가 이끄는 팀은 "초기 상태에는 존재하지 않았던 응집성이 생성된다"고 보고했다. 큐비트는 원래 기본 상태에 없었지만 두 가지 공통 프로토콜을 사용해 중첩 상태로 바꿀 수 있었다.

인스브루크에 있는 양자 광학 및 양자 정보 연구소(IQOQI)의 공동 저자인 토마스 아그레니우스는 "우리의 연구 결과를 처음 동료들에게 말했을 때 많은 이들이 놀랐다. 우리는 일반적으로 양자 효과는 열에 의해 파괴된다고 가정했기 때문이다"며 "우리의 측정은 양자 간섭이 고온에서도 지속될 수 있음을 확인한다"고 말했다.

새로운 응용 프로그램을 위한 기회

물리학자에 따르면, 슈뢰딩거 고양이의 이러한 "뜨거운" 변형은 양자 응용 분야에 새로운 가능성을 제공할 수 있다. 적용된 프로토콜 덕분에 이제는 이상적이지 않은 조건에서도 양자 중첩을 생성하고 사용할 수 있다. 예를 들어, 기본 상태에 도달하는 것이 어려운 나노 기계 진동기에서는 이것이 실용적일 것이다.

키르히마이어는 "우리의 연구는 덜 이상적이고 더운 환경에서도 양자 현상을 관찰하고 활용하는 것이 가능하다는 것을 보여준다. 시스템에서 올바른 상호작용이 이루어진다면 궁극적으로 온도는 중요하지 않다"고 강조했다.
(Science Advances, 2025; doi: 10.1126/sciadv.adr4492)
출처: Universität Innsbruck, Science Advances

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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