Refrigeration of a 1D gas of microwave photons

양자 물리학의 세계에서 과학자들은 빛을 가두고 제어하기 위해 초전도 금속으로 만든 아주 작은 회로를 구축하곤 합니다. 이 회로들은 빛의 입자인 광자들이 자연 상태에서는 불가능한 방식으로 서로 상호작용할 수 있도록 만드는 미세한 실험실 역할을 합니다. 이러한 상호작용을 연구하기 위해 연구자들은 빛이 매우 차갑기를, 이상적으로는 가능한 가장 낮은 에너지 상태에 머물기를 원합니다. 보통 이는 전체 회로를 절대 영도 직전의 온도로 냉각하는 거대한 냉장고 안에 배치함으로써 달성됩니다. 그러나 이 표준적인 방법에는 중대한 결함이 있습니다. 회로가 차가워질수록 그 안의 빛은 단순히 사라져 버린다는 점입니다. 광자들이 냉기 속으로 사라져 버림으로써, 과학자들에게는 연구할 수 없는 빈 시스템만이 남게 됩니다. 이는 복잡한 양자 물질을 시뮬레이션하거나 새로운 이론을 테스트하려는 이들에게 딜레마를 안겨주는데, 왜냐하면 그들은 차가우면서도 동시에 빛으로 가득 찬 시스템을 필요로 하기 때문입니다.

뮌헨 공과대학교의 한 연구팀은 이 문제를 해결하기 위한 영리한 방법을 제안했습니다. 그들은 광자를 사라지게 만들지 않으면서 마이크로파 광자의 흐름을 냉각하는 방법을 설계했습니다. 시스템 전체를 얼려 빛을 잃게 만드는 대신, 그들은 에너지의 일방통행로처럼 작동하는 특정한 메커니즘을 설계했습니다. 전송 선로의 한쪽 끝을 특수한 손실 성분에 연결함으로써, 고에너지 광자들이 더 낮은 에너지 수준으로 떨어지도록 강제하는 과정을 만들어냈습니다. 광자들이 떨어질 때, 그들은 여분의 에너지를 별도의 '폐기' 채널로 방출하며, 이 에너지는 환경 속으로 빠르게 소산됩니다. 결정적으로, 이 과정은 광자를 파괴하지 않습니다. 단지 광자들을 더 차분한 상태로 이동시킬 뿐이며, 이를 통해 빛의 가스가 장치 자체의 냉장고가 제공할 수 있는 온도보다 훨씬 낮은 온도에 도달하면서도 전체 광자의 수는 그대로 유지되도록 합니다.

연구진은 다양한 주파수의 빛을 지원하는 긴 1차원 와이어를 사용하여 이 설정을 모델링했습니다. 한쪽 끝에는 조셉슨 소소(Josephson element)라고 알려진 초전도 루프로 구성된 비선형 장치를 부착했습니다. 이 장치는 외부 신호에 의해 구동되어, 고주파 모드의 광자가 저주파 모드의 광자와 폐기 채널의 세 번째 광자로 자발적으로 변환될 수 있는 특정한 상호작용을 만들어냅니다. 폐기 채널은 매우 누설이 잘 되도록 설계되어, 받은 에너지를 즉시 주변 환경으로 배출합니다. 이는 광자들이 고에너지에서 저에너지로 끊임없이 이동하게 만드는 연속적인 흐름을 생성하여 효과적으로 가스를 냉각합니다. 연구팀은 이 설계된 냉각 과정이 환경으로 인해 광자가 열을 얻고 손실되려는 자연스러운 경향과 경쟁한다는 것을 발견했습니다. 이 두 힘 사이의 균형을 정밀하게 맞춤으로써, 그들은 광자가 시스템 내에 남아 있으면서도 장치를 담고 있는 냉장고보다 훨씬 차가운 온도에 안착하는 정상 상태를 예측했습니다.

그들의 분석에서 가장 놀라운 발견 중 하나는 이 냉각 방식이 표준 물리학을 거스르는 방식으로 빛의 행동을 변화시킨다는 점입니다. 일반적인 평형 상태의 시스템에서는 1차원 빛 가스를 냉각하면 보통 광자들이 사라지게 됩니다. 하지만 이 설계된 시나리오에서는 시스템의 총 에너지가 환경의 온도에 고정되어 있는 반면, 냉각 메커니즘에 의해 광자의 수는 보존됩니다. 이러한 불일치는 시스템이 다르게 행동하도록 강요하는데, 즉 빛이 냉각됨에 따라 입자당 에너지가 낮아지는 것을 보상하기 위해 실제로는 광자의 총수가 증가하게 됩니다. 연구진은 현실적인 실험 환경을 고려하여 계산했을 때, 이를 통해 수백 개의 마이크로파 광자를 0.몇 밀리켈빈(mK) 수준의 매우 낮은 온도로 준비할 수 있다고 밝혔습니다. 이는 일반적으로 이 실험들에 사용되는 희석 냉동기가 제공하는 기저 온도인 약 20밀리켈빈보다 훨씬 낮은 온도입니다.

이 연구는 또한 평범한 평형 상태에서는 일어나지 않는 새로운 유형의 상전이를 밝혀냈습니다. 냉각이 더 효과적으로 진행됨에 따라, 광자들은 가장 낮은 에너지 상태에 쌓이기 시작하여 응축물을 형성합니다. 표준적인 1차원 시스템에서는 이러한 축적이 전혀 일어나지 않을 것으로 예상됩니다. 그러나 연구진의 설정은 광자의 수를 보존하면서 에너지를 낮추기 때문에, 시스템은 이 응축 상태로 몰리게 됩니다. 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이 전이가 매우 뚜렷하고 명확하며, 대다수의 광자가 바닥 상태(ground state)로 모여드는 반면 높은 에너지 모드는 상대적으로 비어 있게 된다는 것을 보여주었습니다. 이러한 행동은 입자들이 하나의 양자 실체처럼 행동하는 상태인 보스-아인슈타인 응축(Bose-Einstein condensate)의 형성을 모사하지만, 이는 수동적인 냉각만으로는 달성할 수 없는 조건에서 발생합니다.

자신들의 아이디어가 단지 이론에 그치지 않음을 입증하기 위해, 연구진은 이 장치를 제작하는 데 필요한 구체적인 회로 세부 사항을 검토했습니다. 그들은 필요한 비선형 상호작용을 만들기 위해 SNAIL이라고 불리는 특정 유형의 초전도 루프를 사용하는 방법을 설명했습니다. 이 루프에 정밀하게 조절된 외부 자기 선속(magnetic flux)을 가함으로써, 빛 모드 간의 특정 주파수 차이에 공명하도록 상호작용을 튜닝할 수 있습니다. 그들의 계산에 따르면, 실제 실험실에서 예상되는 결함과 노이즈에도 불구하고 시스템은 안정적으로 유지될 것입니다. 연구진은 회로 재료로부터 발생하는 잔류 효과가 성능을 제한할 수 있다는 점을 언급했지만, 핵심 메커니즘은 현재의 기술로 충분히 구현 가능할 만큼 견고합니다. 이 연구는 이 접근 방식이 양자 시뮬레이션의 강력한 도구가 될 수 있음을 시사하며, 이전에는 접근할 수 없었던 영역에서 빛을 이용한 복잡한 다체계(many-body systems)를 연구할 수 있게 해줍니다.

이 연구의 함의는 단순히 빛을 냉각하는 것에 그치지 않습니다. 입자의 수를 변화시키지 않고 시스템을 냉각하는 저장소(reservoir)를 설계할 수 있음을 보여줌으로써, 연구진은 양자 상태를 제어하는 새로운 경로를 열었습니다. 이는 양자 중력 이론을 테스트하거나 이색적인 물질을 시뮬레이션하는 데 필요한 안정적이고 차가운 물질 상태를 만드는 데 기여할 수 있습니다. 광자의 밀도를 높게 유지하면서도 광자 가스의 온도를 극저온으로 낮출 수 있는 능력은 양자 분야의 오랜 병목 현상을 해결해 줍니다. 연구진은 현재의 결과가 상세한 이론적 모델과 시뮬레이션에 기반하고 있지만, 이 장치를 구축하는 데 필요한 구성 요소들은 이미 현대의 초전도 회로에 존재한다는 점을 강조합니다. 이는 이 기술의 전환이 새로운 물리학을 요구하는 것이 아니라 엔지니어링의 문제임을 의미하며, 양자 기술을 발전시키기 위한 명확하고 달성 가능한 경로를 제시합니다.