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- 양자 광역학에서 실온 체제를 달성하는 것은 수십 년 동안 해결되지 않은 과제였다.
- 미세 구조 거울과 발진기 멤브레인의 나노 기둥으로 구성된 장치 활용
- 시스템은 양자 정보 기술에 유용, 더 크고 복잡한 양자 상태를 생성하는 방법에 도움

실온에서 최초의 "양자 프레스"
물리학자들이 냉각이 필요하지 않은 광기계적 양자 시스템을 개발하고 있다.

양자 기술용 양자 도약?
물리학자들이 이전의 경우처럼 극저온이 아닌 실온에서도 광기계적 양자 프로세스를 생성하고 측정하는 데 성공했다. 실험에서 미세 구조의 거울과 공진기 멤브레인은 열적 소음을 억제했다. 이는 빛을 위한 '양자 프레스'가 실온에서도 작동한다는 것을 의미한다. 물리학자들에 따르면 이 기술은 다른 양자 기술을 더욱 실용적이고 사용하기 쉽게 만들 수도 있다. 

▲ 물리학자들은 광기계적 양자 과정이 실온에서 일어날 수 있는 공진기를 구축했다. 사진에는 ​​미세 구조의 거울이 있고 중앙에는 나노기둥으로 덮인 기계적 발진기의 막이 있다. © EPFL 및 Second Bay Studios/ CC-by-sa 4.0

양자 컴퓨터, 양자 통신 또는 LIGO 중력파 검출기의 "양자 프레스" 등 모두 얽힘 및 중첩과 같은 양자 물리 현상을 기반으로 한다. 그러나 원자와 분자의 열적 "불안정한 움직임"조차도 깨지기 쉬운 양자 상태를 붕괴시킬 수 있다. 그렇기 때문에 지금까지 양자 응용 분야에는 극도의 냉각이 필요했으며 이로 인해 복잡하고 비용이 많이 들었다.

냉각 없이도 가능한가?

스위스 로잔 연방공과대학(EPFL)의 황 관하오(Guanhao Huang)가 이끄는 물리학자들은 이제 이러한 장애물을 극복했다. 그들은 처음으로 실온에서 광기계적 양자 과정을 만들고 관찰했다. 이러한 과정에서 레이저 광과 작은 진동막 형태의 기계적 미세공진기는 양자물리적으로 서로 결합된다. 이는 양자 컴퓨터뿐만 아니라 양자 센서 또는 LIGO "양자 프레스"에도 사용된다.

EPFL의 수석 저자인 토비아스 키펜베르그Tobias Kippenberg는 “양자 광역학에서 실온 체제를 달성하는 것은 수십 년 동안 해결되지 않은 과제다”고 설명했다. 부유형 나노입자를 사용하는 접근 방식이 있지만, 일반적인 마이크로 공진기(거울과 진동막이 있는 공동)를 사용하는 방법은 없다. Huang과 그의 동료들은 최근 이것이 어떻게 달성될 수 있는지 시험해 보았는데, 성공했다.

▲ 공진기의 둥근 상단 거울과 정사각형 하단 거울의 모습. © Guanhao Huang/EPFL, CC-by-sa 4.0

첫 번째 구성 요소: 미세 구조 거울

실험에서 물리학자들은 실온에서 발생하는 열 소음을 억제하기 위해 두 가지 방법을 사용했다. 첫 번째는 공동 공진기의 반대 거울에 관한 것이다. 그들은 조사된 레이저 빛을 반사하고 증폭하여 공진기를 빛 트랩으로 만든다.

연구팀은 주기적으로 반복되는 미세 구조를 가진 거울을 사용했다. 이로 인해 이 물질은 특별한 빛 굴절 특성을 지닌 소위 음향 결정으로 바뀌었다. 물리학자들은 “음성 기본 셀의 크기는 0.87~1.2MHz 주파수 대역에서 거울 움직임이 억제되도록 선택되었다”며 "이는 이 대역의 열역학적 소음 밀도를 700배 이상 감소시킨다"고 설명했다.

두 번째 구성요소: 발진기 멤브레인의 나노 기둥

두 번째 방법은 기계적 발진기의 멤브레인에 적용되며, 그 진동은 공진기의 빛과 상호 작용한다. 막은 일반적으로 열에 의해 유도된 분자 운동으로 인해 진동하여 양자 과정을 방해한다. "이 실험에서 우리가 사용하는 멤브레인은 환경으로부터 가능한 한 잘 격리된 발진기를 수년간 검색한 결과다"고 EPFL의 공동 저자 Nils Johan Engelsen은 설명했다.

구체적으로 기계적 공진기는 질화규소 멤브레인(Si3N4) 위에 실리콘 하프늄 산화물(Si-HfO2)로 만들어진 나노 기둥이 일정한 간격으로 세워진 구조로 구성된다. 두께가 700nm(나노미터)에 불과한 이 기둥은 열 교란 효과로 인한 멤브레인의 음향 진동보다 작은 나노구조를 생성한다. Huang과 그의 동료들이 보고한 것처럼 이는 온도 관련 진동을 강력하게 약화시키는 기계적 밴드 갭을 생성한다.

▲ 음파 거울이 있거나 없는 공동 공진기의 열 잡음 © Huang et al./ Nature, CC-by 4.0

시연자로서 실온 양자 프레스

이 설정을 사용하여 물리학자들은 실온에서도 작동하는 레이저 광용 "양자 프레스"를 만들었다. 이러한 장치에서, 광파는 광파의 위상과 같은 한 특징의 교란 변동이 억제되고 두 번째 특징, 예를 들어 파동의 진폭의 스퓨리어스 노이즈가 증폭되는 방식으로 광파를 조작한다.

장점:
물리학자는 측정에 필요한 기능을 구체적으로 "잡음 제거"할 수 있다. 실험에서 Huang과 그의 팀이 설계한 공동 공진기는 레이저 광의 스퓨리어스 노이즈를 최대 22%까지 줄였다. 동시에, 이 시스템은 결합된 진동의 양자 상태를 효율적으로 측정하는 것도 가능하게 했다. 물리학자들은 “이는 우리 시스템이 실온에서도 기계적 움직임의 양자 제어가 가능한 매개변수 체제에 있음을 보여준다”고 말했다.

다른 양자 응용 분야에도 유용

팀에 따르면, 실온에서의 이러한 양자 적용은 양자 기술에 대한 완전히 새로운 가능성을 열어준다. 양자 센서 및 기타 양자 기반 측정을 단순화할 수 있지만 복잡한 냉각이 더 필요하지 않은 경우 양자 통신에도 도움이 될 수 있다. "우리가 사용하는 기술은 더 넓은 과학계에 매우 관련성이 높고 중요하다"고 Huang은 말했다.

공동 제1저자인 EPFL의 Alberto Beccari는 "우리가 개발한 시스템은 기계 드럼이 갇힌 원자 구름과 같은 다른 물체와 상호 작용하는 새로운 하이브리드 시스템을 가능하게 할 수도 있다"며 "이러한 시스템은 양자 정보 기술에 유용하며 더 크고 복잡한 양자 상태를 생성하는 방법을 이해하는 데도 도움이 된다"고 말했다.
(Nature, 2024; doi: 10.1038/s41586-023-06997-3)
출처: Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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