Measurement-induced generation of Schrödinger cat states in cavity QED

양자 마술 쇼

당신이 아주 강력한 컴퓨터를 만들려고 한다고 상상해 보세요. 하지만 휴대폰에 들어있는 작은 스위치 대신, 양자 역학의 기묘하고 파동적인 규칙을 사용하고 싶어 합니다. 이 양자 세계에서 사물은 동시에 두 곳에 존재하거나, 두 가지 방향으로 동시에 회전할 수 있습니다. 이것을 "중첩(superposition)"이라고 부릅니다. 보통 우리는 이러한 기묘한 효과를 전자와 같은 미시적인 입자에서만 볼 수 있습니다. 하지만 과학자들에게는 꿈이 하나 있습니다. 바로 "슈뢰딩거의 고양이 상태(Schrödinger cat states)"를 만드는 것입니다. 유명한 사고 실험의 이름을 딴 이 상태는, 우리에게 매우 크고 명확하게 보이는 것들의 중첩을 의미합니다. 예를 들어, 살아있으면서 동시에 죽어 있는 고양이나, 완전히 반대되는 두 방향으로 동시에 진동하는 빛의 파동 같은 것 말이죠.

이러한 "고양이 상태"는 해킹이 불가능한 암호부터 초정밀 센서에 이르기까지, 미래의 양자 기술을 위한 핵심 비법입니다. 문제는 이것들이 믿을 수 없을 정도로 취약하다는 점입니다. 이를 만드는 데는 대개 원자들이 매우 어렵고 고압적인 방식으로 상호작용하도록 강제하거나, 에너지가 정확히 원하는 방향으로 "새어 나가도록" 환경을 정교하게 설계해야 합니다. 이는 마치 허리케인 속에서 카드 집을 쌓아 올리는 것과 같습니다. 아주 작은 실수나 약간의 소음만 있어도 전체가 무너져 버립니다. 과학자들은 극단적인 조건 없이도 이러한 상태를 더 단순하고 신뢰할 수 있는 방법으로 만들어낼 방법을 찾아왔습니다.

논문의 발견: "경로 정보" 지우기

이 논문에서 연구진은 공동 양자 전기역학(cavity-QED) 시스템 내에서 이러한 슈뢰딩거의 고양이 상태를 생성하는 영리하고 새로운 레시 recipe를 제안합니다. '공동(cavity)'을 빛이 앞뒤로 반사되며 움직이는 작은 거울 방이라고 생각하고, "공동-QED"는 단순히 그 방 안에서 원자와 빛이 어떻게 함께 노는지에 대한 연구라고 생각하면 됩니다. 연구진은 복잡하고 강력한 힘을 사용하는 대신, 레이저, 원자의 흐름, 그리고 "사후 선택(postselection)"이라는 양자 마법을 이용한 3단계 춤을 제안합니다.

그들의 방법이 어떻게 작동하는지 단계별로 설명하겠습니다.

먼저, 거울 방 안으로 레이저를 쏩니다. 이는 내부의 빛을 "결맞음 상태(coherent state)"라고 불리는 매끄럽고 예쁜 파동으로 밀어 넣습니다. 이는 마치 차분하고 조직적인 바다의 파도와 같습니다. 다음으로, 단 하나의 원자를 이 빛 속으로 통과시킵니다. 원자가 빛 사이를 빠르게 지나갈 때, 원자는 빛을 흡수하지 않으면서 빛과 상호작용합니다. 이 상호작용은 마치 스파이가 비밀 쪽지를 교환하는 것과 같습니다. 빛의 파동은 두 가지 다른 버전으로 나뉘고, 원자는 자신이 본 버전이 무엇인지 "기억"하게 됩니다. 만약 당신이 지금 이 원자를 관찰한다면, 빛이 어떤 경로를 택했는지 정확히 알 수 있을 것입니다. 양자 역학적으로 말하면, "경로 정보(which-way information)"가 원자에 저장된 것입니다.

여기서 반전이 일듭니다. 만약 당신이 원자가 어떤 경로를 택했는지 확인하기 위해 원자를 측정한다면, 빛의 파동은 단 하나의 경로로 붕괴되어 버리고 마법은 사라집니다. 하지만 연구진은 다른 움직임을 제안합니다. "어떤 경로였는가?"를 묻는 대신, 그 정보를 지워버리는 특별한 측정을 수행하는 것입니다. 그들은 원자에게 경로를 잊게 만들고 다시 모호하고 혼합된 상태로 되돌리도록 강요하는 질문을 던집니다. 이렇게 "양자 지우기(quantum erasure)"를 수행함으로써, 우리는 두 개의 서로 다른 빛 파동이 다시 결합하여 서로 간섭하도록 강제합니다.

그 결과는 무엇일까요? 방 안의 빛은 더 이상 단 하나의 파동이 아닙니다. 그것은 두 개의 뚜렷한 파동이 동시에 존재하는 중첩 상태, 즉 "슈뢰딩거 고양이 상태"가 됩니다. 논문은 이 과정을 반복할 수 있음을 보여줍니다. 만약 더 많은 원자를 통과시키고 그 정보를 다시 지운다면, 빛을 네 개, 여덟 개, 혹은 그 이상의 파동으로 나누어 복잡한 양자 간섭 패턴을 만들어낼 수 있습니다.

저자들은 현실 세계(완벽하지 않은 환경)에서도 이것이 작동할지 확인하기 위해 상세한 컴퓨터 시뮬레이션을 실행했습니다. 그들은 거울이 완벽하지 않아 빛이 일부 새어 나가더라도(이를 "소산(dissipation)" 문제라고 합니다), 고양이 상태가 놀라울 정도로 강력하게 유지된다는 것을 발견했습니다. 시뮬레이션 결과, 적당한 수준의 빛 손실이 있더라도 "고양이 상태"는 특유의 양자적 특징을 유지하며 확률 지도에서 음수 값을 보여주었습니다(이는 진정한 양자적 기묘함의 징표입니다). 이는 그들의 방법이 매우 견고하며, 다른 방법들처럼 초강력한 힘이나 완벽하게 설계된 환경을 필요로 하지 않는다는 것을 시사합니다.

요약하자면, 이 논문은 빛을 밀어 넣고, 원자가 엿보게 한 뒤, 원자가 본 것을 영리하게 지워버리는 단순한 순환 과정을 통해, 실제 실험실에서 훨씬 더 쉽게 이러한 강력한 양자 상태를 구축할 수 있다고 제안합니다. 이는 어려운 균형 잡기 게임을 다룰 수 있는 양자 숨바꼭질 게임으로 바꾸어 놓았습니다.