Dark state as a measurable state by a dispersive readout without a Purcell limit

양자 컴퓨팅의 미시 세계에서 정보는 환경의 아주 작은 접촉만으로도 쉽게 파괴될 수 있는 취약한 상태로 저장됩니다. 이 정보를 읽기 위해 과학자들은 이 양자 시스템을 외부 세계와 연결해야 하지만, 바로 이 연결 자체가 위험한 역설을 만들어냅니다. 시스템을 측정하는 데 사용되는 연결이 강해질수록, 시스템은 에너지를 더 빨리 잃고 붕괴되는데, 이를 '붕괴(decay)'라고 불리는 현상이라고 합니다. 수년 동안 연구자들은 명확하고 강한 신호와 오래 지속되는 양자 상태 사이에서 하나를 선택해야 한다고 믿어 왔습니다. 즉, 하나를 가질 수는 있지만 다른 하나는 가질 수 없다는 것이었습니다. 이러한 상충 관계는 복잡한 문제를 풀면서도 무너지지 않는 기계를 구축하는 데 있어 주요한 장애물이 되어 왔습니다.

대만의 한 연구팀이 이제 이 규칙을 깨는 방법을 찾아냈습니다. 그들은 양자 컴퓨터의 기본 구성 요소 역할을 하는 두 개의 초전도 인공 원자를 포함하는 아주 작은 전자 회로를 설계했습니다. 이 원자들은 하나의 측정 장치에 연결되어 있지만, 연구팀은 이들을 특정한 대칭 패턴으로 배치하여 두 가지 뚜렷한 유형의 행동을 만들어냈습니다. 연구팀이 "밝은(bright)" 상태라고 부르는 한 유형은 측정 장치와 강하게 상호작용하여 쉽게 읽을 수 있지만, 에너지를 빠르게 잃게 만듭니다. 다른 유형인 "어두운(dark)" 상태는 측정 장치와 거의 상호작용하지 않도록 설계되어, 양자 정보를 파괴하는 일반적인 에너지 손실로부터 효과적으로 숨겨집니다.

이 돌파구의 핵심은 이 숨겨진 상태를 어떻게 가시화했느냐에 있습니다. 어두운 상태는 측정 장치와 직접 대화하지 않지만, 연구진은 이 상태가 밝은 파트너와의 미묘한 상호작용을 통해 시스템에 지문을 남긴다는 사실을 발견했습니다. 밝은 상태를 측정함으로써, 연구진은 어두운 상태가 직접 상호작용하는 것과 거의 같은 명확성으로 그 존재를 간접적으로 감지할 수 있었습니다. 실험에서 어두운 상태는 밝은 상태보다 거의 두 배 더 오래 지속되었으며, 이는 양자 비트가 생존할 수 있는 시간을 제한하는 빠른 붕괴로부터 보호받고 있음을 입증했습니다. 그럼에도 불구하고, 이 보호 조치에도 불구하고 어두운 상태는 측정 장치의 주파수를 바닥 상태(ground state)와 명확히 구별될 수 있는 방식으로 변화시켰습니다.

실험은 절대 영도 바로 위 단계의 온도로 냉각된 미세 칩 위에서 진행되었습니다. 연구진은 마이크로파 펄스를 사용하여 시스템을 밝은 상태나 어두운 상태로 유도했습니다. 주요 연결을 통해 어두운 상태를 직접 측정하려고 했을 때, 시스템은 침묵을 유지했으며, 이는 해당 상태가 일반적인 에너지 누출로부터 실제로 차단되어 있었음을 확인시켜 주었습니다. 그러나 시스템이 부드러운 탐침(probe)에 어떻게 반응하는지 살펴보았을 때, 연구진은 어두운 상태가 여전히 공진기(resonator)의 주파수에 측정 가능한 변화를 일으킨다는 것을 발견했습니다. 이 변화는 밝은 상태에 의해 발생한 변화와 거의 동일했으며, 이는 정보가 급격한 붕괴라는 대가 없이도 읽힐 수 있는 상태로 존재함을 입증했습니다.

이 발견은 양자 컴퓨팅을 향한 새로운 길을 제시합니다. 이러한 "다크 모드(dark mode)"를 사용함으로써, 과학자들은 양자 정보를 더 오랫동안 저장하면서도 필요할 때 이를 읽어낼 수 있을 것입니다. 연구진은 어두운 상태를 높은 신뢰도로 준비하고 측정할 수 있음을 보여주었으며, 이는 양자 데이터를 관찰자로부터 보이지 않게 만들지 않으면서도 환경으로부터 안전하게 유지하는 방법을 제공합니다. 이 접근 방식은 정보의 상태를 보존하는 것이 읽는 것만큼이나 중요한 미래의 양자 컴퓨터에서 오류를 감지하고 수정하는 데 특히 유용할 수 있습니다. 이 연구는 양자 구성 요소 간의 연결을 세심하게 배치함으로써, 오래 지속되면서도 측정이 가능한 상태라는 두 마리 토끼를 모두 잡는 것이 가능하다는 것을 보여줍니다.