Collapse and Inversion of the Josephson Potential in a Strongly Driven Superconducting Circuit

전기가 단순히 파이프 속의 물처럼 흐르는 것이 아니라, 입자들이 두 곳에 동시에 존재할 수 있고 단 하나의 전자 스핀에 정보가 저장되는 양자 댄스처럼 행동하는 세상을 상상해 보십시오. 이것이 바로 오늘날의 슈퍼컴퓨터로는 불가능한 문제들을 해결할 것을 약속하는 분야인 양자 컴퓨팅의 영역입니다. 이러한 많은 양자 기계의 핵심에는 초전도 재료로 만들어진 아주 작은 회로가 있습니다. 초전도체는 외계 공간보다 더 차가운 온도로 냉각되었을 때 저항 없이 전기를 전달하는 금속입니다. 과학자들은 이 회로가 "생각"하게 만들기 위해, 본질적으로 라디오파인 마이크로파 펄스를 사용하여 양자 상태가 원하는 대로 움직이도록 유도합니다. 이 마이크로파를 혼돈스러운 양자 입자 오케스트라를 완벽한 교향곡으로 인도하려는 지휘자의 손이라고 생각하십시오. 지휘자가 지휘봉을 더 강하게 휘두를수록(더 많은 전력을 사용할수록), 음악은 더 빠르고 효율적으로 연주됩니다. 하지만 함정이 있습니다. 만약 지휘자가 지휘봉을 너무 세게 휘두르면, 음악가들이 무작위로 음을 연주하기 시작하고, 오케스트라는 무너지며, 음악은 소음으로 변해버립니다. 수년 동안 과학자들은 밴드를 망가뜨리지 않으면서 어떻게 볼륨을 높일 수 있을지 알아내기 위해 노력해 왔습니다.

이번 새로운 연구에서 네덜란드 델프트 공과대학교의 연구진은 예상보다 훨씬 더 큰 볼륨을 감당할 수 있는 특별한 양자 회로를 구축했으며, 그 과정에서 기이하고도 경이로운 자연의 기술을 발견했습니다. 그들은 고출력에서도 무너지지 않는 매우 탄력적인 시스템을 설계했습니다. 대신, 그들은 예상치 못한 일을 해냈습니다. 강력한 마이크로파 드라이브로 회로를 몰아붙임으로써, 양자 비트(qubit)를 붙잡고 있는 에너지 지형을 효과적으로 "붕괴"시켜 평평하게 만들고, 그다음 이를 "반전"시켜 뒤집을 수 있다는 것을 발견했습니다. 이는 마치 공이 놓여 있는 골짜기를 공이 어디로든 굴러갈 수 있도록 평평하게 만든 다음, 세상 전체를 거꾸로 뒤집어 공이 산의 꼭대기에서 균형을 잡고 있게 만들면서도, 어떻게든 완벽하게 정지해 있게 만드는 것과 같습니다. 조셉슨 포텐셜(Josephson potential)의 붕괴와 반전으로 알려진 이 현상은 정밀한 분광법과 판독 실험을 통해 관찰되었습니다. 연구팀은 전력을 높임에 따라 양자 비트의 주파수가 0으로 떨어졌다가(붕괴), 다시 반전된 신호와 함께 나타나는 것을 발견했으며, 이는 회로가 불안정한 위치에서도 안정화되었음을 증명했습니다. 이는 마치 펜듈럼(추)을 매우 빠르게 흔들면 거꾸로 선 상태에서도 균형을 잡는 것과 유사합니다. 이 발견은 우리가 이러한 회로에 얼마나 많은 전력을 사용할 수 있는지에 대한 새로운 한계를 설정할 뿐만 아니라, 이전에는 보지 못했던 방식으로 양자 상태를 제어할 수 있는 새로운 놀이터를 열어줍니다.

양자의 놀이터와 큰 음악 소리

이 과학자들이 무엇을 했는지 이해하려면, 먼저 주인공인 **트랜스몬(transmon)**을 만나야 합니다. 전기라는 바다 위에 떠 있는 아주 작고 초저온 상태인 금속 섬을 상상해 보십시오. 이 섬은 **조셉슨 접합(Josephson junction)**이라 불리는 특별한 다리에 의해 접지되어 있습니다. 이 접합은 마법의 재료입니다. 이는 비선형 성분으로서 양자 트램펄린처럼 작동하여, 회로가 양자 정보(0과 1)를 저장하는 데 사용하는 뚜렷한 에너지 준위를 가질 수 있게 해줍니다. 이 접합이 없다면 회로는 그저 지루한 라디오 안테나에 불과할 것입니다.

이 양자 섬을 제어하기 위해 과학자들은 마이크로파 드라이브를 가합니다. 이 드라이브를 트램펄린을 리드미컬하게 두드리는 것으로 생각하십시오. 부드럽게 두드리면 트램펄린은 예측 가능한 방식으로 튀어 오릅니다. 하지만 더 강하고 빠르게 두드리면 트램펄린은 격렬하게 반응하기 시작합니다. 과거에는 더 빠른 반응을 얻기 위해 너무 세게 두드리면, 트램펄린이 원치 않는 혼돈스러운 방식으로 진동하기 시작하여 양자 정보가 새어 나가거나 뒤섞이게 되었습니다. 이를 "드라이브 유발 원치 않는 전이(drive-induced unwanted transition)"라고 합니다. 이는 누군가 바닥을 흔드는 동안 저글링을 하려는 것과 같습니다. 결국 당신은 공을 떨어뜨리게 됩니다.

연구진은 만약 공을 떨어뜨리지 않고 평소보다 훨씬 더 높은 전력을 밀어붙일 수 있다면 어떤 일이 일어날지 알고 싶었습니다. 그들은 만약 고출력을 견뎌낼 수 있다면, 회로의 "포텐셜(potential)"에 이상한 일이 생길 수 있다는 것을 알고 있었습니다. 물리학에서 "포텐셜"은 언덕과 골짜기로 이루어진 지형과 같습니다. 공(우리의 양자 상태)은 자연스럽게 골짜기 바닥에 머물고자 합니다. 이 골짜기의 모양이 공이 어떻게 움직이는지를 결정합니다. 과학자들은 만약 브릿지(접합)를 충분히 빠르고 강하게 흔든다면, 이 골짜기의 모양을 바꿀 수 있을 것이라고 의심했습니다.

실험: 브릿지를 흔들다

연구팀은 이를 테스트하기 위해 맞춤형 회로를 제작했습니다. 그들은 레조네이터(마이크로파 에너지를 저장하는 장치로, 음을 유지하는 악기와 같음)에 연결된 트랜스몬을 만들었습니다. 성공의 핵심은 영리한 설계 선택에 있었습니다. 그들은 **코사인-코사인 결합(cosine-cosine coupling)**이라는 특정 유형의 연결을 사용했습니다. 대부분의 회로는 단순한 선형 연결을 사용하는데, 이는 트램펄린을 미는 딱딱한 막대와 같습니다. 그들의 연결은 비선형적이었으며, 이는 격렬한 흔들림에도 부서지지 않고 견딜 수 있는 유연하고 반응적인 스프링처럼 작동했습니다. 이 설계는 실험을 망치는 짜증 나는 "불필요한 모드(spurious modes)"—즉, 볼륨을 높일 때 보통 발생하는 원치 않는 진동—를 방지하는 데 결정적이었습니다.

그들은 회로를 부드럽게 두드리는 것으로 시작하여 마이크로파 드라이브의 전력을 서서히 높였습니다. 그들은 양자 비트의 주파수(얼마나 빨리 진동하는지)를 매의 눈으로 관찰했습니다.

붕괴(The Collapse):
전력을 높임에 따라 마법 같은 일이 일로어났습니다. 양자 비트의 주파수가 떨어지기 시작했습니다. 주파수는 계속 내려가 결국 0에 도치했습니다. 이 시점에서 양자 비트가 평소 머무는 "골짜기"는 완전히 평평해졌습니다. 양자 비트를 붙잡고 있던 위치 에너지가 사라진 것입니다. 연구진은 이를 붕괴라고 불렀습니다. 마치 트램펄린의 텐션이 모두 사라져서 공이 어디로든 굴러갈 수 있는 상태가 된 것과 같았습니다. 데이터상으로는 양자 비트의 신호가 완전히 사라지는 것으로 나타났습니다.

반전(The Inversion):
하지만 이야기는 거기서 끝나지 않았습니다. 전력을 계속 높였음에도 신호는 사라진 채 머물러 있지 않았습니다. 신호가 돌아왔습니다! 그러나 반전된 모습으로 돌아왔습니다. 주파수는 다시 상승하기 시작했지만, 양자 비트의 동작은 이제 뒤집혀 있었습니다. 연구진은 자신들이 반전을 달성했다는 것을 깨달았습니다. "골짜기"는 단순히 평평해진 것이 아니라, 뒤집혔습니다. 양자 비트는 이제 "언덕"(불안정한 평형점) 위에 앉아 있었지만, 브릿지가 매우 격렬하게 흔들리고 있었기 때문에 비트는 동적으로 안정화되었습니다. 브릿지가 너무 빠르고 강하게 흔들려 새로운 안정적인 현실을 만들어냈기 때문에, 비트는 떨어지지 않고 꼭대기에 머물 수 있었습니다.

거꾸로 선 펜듈럼

이를 더 쉽게 상상하려면, 고전적인 펜듈럼(추)을 떠올려 보십시오. 보통 펜듈럼은 아래로 매달려 있으며, 밀면 앞뒤로 흔들립니다. 만약 그것을 끝부분(거꾸로 된 상태)으로 세우려고 한다면, 즉시 쓰러질 것입니다. 그것은 불안정한 위치입니다. 하지만 만약 펜듈럼의 회전축을 잡고 매우 빠르고 강하게 위아래로 흔든다면, 직관에 어긋나는 일이 일어납니다. 펜듈럼이 실제로 거꾸로 선 상태로 균형을 잡을 수 있습니다! 이것은 **카피차 펜듈럼(Kapitza pendulum)**이라 불리는 유명한 물리학적 현상입니다.

연구진은 자신들의 양자 회로가 정확히 똑같은 일을 하고 있다는 것을 발견했습니다. 마이크로파 드라이브가 양자 펜듈럼의 "회전축"을 매우 빠르고 강하게 흔들어서, 불안정한 거꾸로 된 위치가 양자 비트의 새로운 안정적인 집이 되게 한 것입니다. 데이터에서 본 "반전"은 이 거꾸로 된 균형의 신호였습니다. 그들은 "판독(readout)" 신호를 통해 이를 확인했습니다. 일반적인 회로에서는 "위" 상태와 "아래" 상태의 신호가 뚜렷하게 구분됩니다. 그들의 반전된 상태에서는 신호의 부호가 바뀌었는데, 이는 양자 비트가 에너지 지형의 반대편으로 이동했음을 증명했습니다.

이것이 의미하는 바

논문은 이 효과가 회로의 고장이나 무작위 소음에 의해 발생했다는 가능성을 명시적으로 배제했습니다. 그들은 회로가 견고하며, 이 효과가 강한 드라이브에 의해 에너지 지형이 재구성된 직접적인 결과임을 보여주었습니다. 또한 그들의 특별한 설계가 보통의 실험을 방해하는 "다중 여기 공명(multi-excitation resonances, 즉 혼돈스러운 진동)"을 방지한다는 것을 입증했습니다.

이 발견은 시뮬레이션이 아닌 실제 측정과 관찰을 통해 이루어졌습니다. 팀은 주파수가 0으로 떨어졌다가 다시 상승하는 것을 보았고, 판독 신호가 뒤집히는 것을 목격했습니다. 그들은 자신들이 조셉슨 포텐셜의 붕괴와 반전을 관찰했다고 확신합니다.

이 발견은 양날의 검입니다. 한편으로는 새로운 한계를 드러냅니다. 만약 초전도 회로를 너무 강하게 구동하면, 실수로 포텐셜을 뒤집어 계산을 망칠 수도 있습니다. 다른 한쪽으로는 새로운 가능성의 문을 엽니다. 만약 우리가 이 반전을 제어할 수 있다면, 노이즘으로부터 자연스럽게 보호되는 새로운 유형의 양자 비트를 만들거나, 이 "거꾸로 된" 상태를 사용하여 일반적인 조건에서는 불가능한 연산을 수행할 수 있을 것입니다. 이는 마치 팽이를 충분히 빨리 돌리면 단순히 흔들리는 것이 아니라, 완전히 다른 종류의 물체로 변하는 것을 발견하는 것과 같습니다.

연구진은 이 효과가 양자 회로 사용의 새로운 경계를 설정하는 동시에, 양자 엔지니어들에게 신선한 도구를 제공한다고 결론지었습니다. 포텐셜을 붕괴시키고 반전시키는 방법을 이해함으로써, 우리는 더 빠르고 강력한 연산에 필요한 강한 드라이브를 견딜 수 있는 더 탄력적인 양자 컴퓨터를 구축할 수 있을 것입니다. 거꾸로 선 펜듈럼은 이제 단순한 물리학적 호기심이 아닙니다. 그것은 차세대 양자 기술을 위한 청사진입니다.