Indefinite causal order in cavity quantum electrodynamics

양자 세계에서 인과관계의 법칙은 놀라울 정도로 유동적일 수 있습니다. 보통 우리는 사건이 엄격한 순서에 따라 일어난다고 생각합니다. 즉, 먼저 한 가지 일이 발생하고, 그 다음에 다른 일이 일어나는 식입니다. 스위치를 켜면 불이 들어오고, 공을 밀면 공이 굴러갑니다. 이러한 선형적 흐름은 우리의 일상생활이 작동하는 방식이며, 대부분의 양자 실험이 전통적으로 설계되는 방식이기도 합니다. 그러나 '부정적 인과 순서(indefinite causal order)'라고 알려진 개념은 이러한 직관에 도전합니다. 이는 두 사건이 발생했을 때, 어느 것이 먼저 일어났는지에 대한 확정적인 답이 없는 상황을 허용합니다. 단일한 타임라인 대신, 시스템은 두 가지 가능한 순서 모두의 중첩 상태로 존재합니다. 이것이 이론적인 호기심처럼 들릴 수도 있지만, 연구자들은 이 모호함을 활용함으로써 정보를 처리하는 강력한 새로운 도구를 제공할 수 있으며, 잠재적으로 표준적인 고정 순서 시스템으로는 불가능한 문제들을 해결할 수 있다는 것을 발견했습니다.

한 물리학자 팀은 이제 이 개념을 빛의 빔 영역에서 원자와 거울의 영역으로 가져왔습니다. 새로운 연구에서 그들은 공동 양자 전기역학(cavity quantum electrodynamics) 시스템 내에서 부정적 인과 순서가 어떻게 작동하는지 탐구했습니다. 이 설정은 단일 원자가 두 개의 분리된 동일한 챔버 안에 갇힌 빛과 상호작용하는 구조입니다. 연구진은 만약 원자가 두 챔버를 두 가지 가능한 순서의 중첩 상태로 통과하게 할 수 있다면 어떤 일이 벌어질지 알고 싶었습니다. 즉, A 챔버를 지나 B 챔버로 가는 순서와, B 챔버를 지나 A 챔버로 가는 순서를 동시에 통과하는 것입니다. 이를 통해 그들은 이 기묘한 순서성이 두 챔버 사이의 빛 사이에 강력한 연결을 만들어낼 수 있음을 발견했습니다. 비록 두 빛의 파동이 직접 접촉하지 않았음에도 말입니다.

이 실험은 메신저 역할을 하는 단일 원자와 빛으로 채워진 두 개의 빈 방을 포함합니다. 부정적 순서를 만들기 위해 연구진은 본질적으로 '양자 스위치' 역할을 하는 제어 메커니즘을 사용하여 원자의 경로를 결정했습니다. 만약 스위치가 한 상태로 설정되면, 원자는 첫 번째 챔버를 통과한 후 두 번째 챔버를 통과합니다. 만약 스위치가 다른 상태로 설정되면, 그 순서가 뒤바뀝니다. 돌파구는 스위치가 두 상태의 중첩 상태에 놓일 때 나타납니다. 이 조건에서 원자는 하나의 경로를 선택하지 않고, 두 가지 순서를 동시에 통과합니다. 연구진은 원자가 이 이중 경로 여정을 마치고 나올 때, 두 분리된 챔버 내부의 빛의 장(field)들이 깊게 연결된다는 것을 발견했습니다. 이들은 '얽힘(entanglement)'이라고 불리는 양자 연결을 공유하며, 이는 두 챔버의 빛 파동이 서로 상호작용한 적이 없음에도 불구하고 한 챔버의 빛 상태가 다른 챔버의 빛 상태와 즉각적으로 상관관계를 갖게 됨을 의미합니다.

이 효과는 이 얽힘을 생성하는 능력이 원자가 들뜬 상태(excited state)에서 시작했는지 혹은 바닥 상태(ground state)에서 시작했는지, 그리고 원자가 각 공동을 통과하는 데 걸리는 시간과 무관하다는 점에서 특히 놀랍습니다. 그러나 결과적으로 나타나는 특정 상태와 그 상태를 얻을 확률은 원자의 초기 조건 및 측정 결과에 따라 달라집니다. 더욱이, 연구진은 이 과정이 매우 복잡한 특정 빛의 패턴을 생성할 수 있음을 보여주었습니다. 예를 들어, 챔버에 빛이 전혀 없는 상태에서 시작한다면, 이 과정은 단일 광자가 첫 번째 챔버 또는 두 번째 챔버에 존재하지만, 둘 다에 있거나 둘 다에 없는 상태를 만들 수 있습니다. 이는 초정밀 측정을 위해 가치 있는 'NOON 상태'라고 알려진 유형의 상태입니다. 더욱 놀랍게도, 연구팀은 이 시스템이 원자의 상태를 변화시키지 않으면서 두 챔버 사이에서 광자를 교환할 수 있음을 입증했습니다. 고정된 순서로 이동하는 원자가 있는 표준 설정에서는 메신저를 변화시키지 않고 이러한 교환을 하는 것이 불가능합니다. 부정적 순서는 원자가 자신의 여정에 대한 흔적을 남기지 않고 빛을 재배열하는 가교 역할을 할 수 있게 해줍니다.

또한 이 연구는 부정적 인과 순서가 시스템의 자연스러운 리듬을 어떻게 방해하는지를 밝혔습니다. 표준 양자 물리학에서 원자가 빛과 상호작용할 때, 원자는 종종 '라비 진동(Rabi oscillations)'이라 불리는 예측 가능한 파동 형태의 에너지 준위 변화를 보입니다. 연구진은 부정적 인과 순서가 도입될 때, 이 매끄러운 사인파 형태의 리듬이 완전히 사라지거나 규칙적인 형태를 완전히 잃어버린다는 것을 발견했습니다. 시스템은 더 이상 고정된 순서의 시나리오에서 보이는 예측 가능한 맥동을 따르지 않습니다. 대신, 결과는 제어 스위치의 특정 측정값에 따라 달라지며, 빛의 다양한 가능한 최종 상태들로 이어집니다.

이러한 발견의 함의는 물질과 빛 사이의 상호작용을 제어하는 새로운 방법을 제시합니다. 사건의 순서를 조작함으로써, 과학자들은 그렇지 않았다면 서로 분리되어 있었을 먼 거리의 시스템들 사이에 얽힌 상태를 생성할 수 있습니다. 연구진은 트랩된 원자가 원형 경로를 따라 이동하면서 원자의 파동 묶음(wave packet)이 분리되고 재결합되도록 하여, 실질적으로 두 개의 공동을 중첩된 순서로 방문하게 함으로써 이를 물리적으로 구현할 수 있다고 제안합니다. 현재의 작업은 확립된 빛-물질 상호작용 모델에 기반한 이론적 조사이지만, 이는 새로운 가능성의 문을 열어줍니다. 이는 "무엇이 먼저 일어났는가"라는 모호함을 수용함으로써, 우리가 양자 시스템을 제어하고, 얽힘을 생성하며, 고정된 인과관계의 세계에서는 엄격히 금지된 과업들을 수행할 수 있는 새로운 역량을 확보할 수 있음을 시사합니다.