Fast quantum squeezing of a nanomechanical oscillator with an inverted potential

미시 세계에서 물리학의 법칙은 우리의 일상생활과는 다르게 작동합니다. 가장 근본적인 규칙 중 하나는 우리가 물체의 상태를 얼마나 정밀하게 알 수 있는지에 한계가 있다는 것입니다. 이것은 우리의 측정 도구가 가진 결함이 아니라, 흔히 양자 불확정성이라 불리는 자연 자체의 내장된 특징입니다. 하나의 입자의 위치와 속도를 동시에 측정하려고 한다고 상상해 보십시오. 하나를 더 정밀하게 고정할수록, 다른 하나는 더 흐릿해집니다. 이러한 불확실성은 완벽한 진공 상태에서도 존재하는 배경 "노이즈" 또는 미세한 떨림을 만들어내는데, 이를 진공 요동이라고 합니다. 초정밀 센서나 강력한 양자 컴퓨터를 만들려는 과학자들에게 이 노이즈는 주요한 장애물입니다. 이를 극복하기 위해 연구자들은 '스퀴징(squeezing, 압축)'이라 불리는 기술을 사용합니다. 노이즈를 완전히 제거하려고 노력하는 대신, 그 형태를 재구성하는 것입니다. 위치와 같은 한 가지 속성의 불확실성을 가져와서, 현재 수행 중인 작업에서 덜 중요한 운동량과 같은 다른 속성으로 밀어 넣습니다. 이를 통해 연구자들은 찾고자 하는 신호를 훨씬 더 명확하게 볼 수 있으며, 결과적으로 자연이 보통 허용하는 것보다 더 조용한 물질의 상태를 만들어냅니다.

수십 년 동안, 이러한 종류의 기계적 물체를 제어하는 것은 특히 단일 원자보다 큰 물체의 경우 믿기 힘들 정도로 어려웠습니다. 대부분의 성공적인 실험들은 물체를 절대 영도에 가까운 온도로 냉각하고, 이를 안정화하기 위해 복잡한 전자 회로를 사용하는 것을 필요로 했습니다. 그러나 ETH 취리히의 연구팀은 극한의 추위 없이도 상온에서 작은 고체 물체의 운동을 스퀴징할 수 있는 방법을 찾아냈습니다. 그들은 직경이 약 120나노미터인 실리카 구체 클러스터인 단일 나노입자를 가지고 실험했습니다. 이는 사람의 머리카락보다 약 천 배 더 가는 수준입니다. 이 입자는 표면에 접착되거나 매달려 있는 것이 아니라, '광학 부상(optical levitation)'이라는 기술을 통해 레이저 빛의 줄기에 의해 공중에 떠 있었습니다. 연구진은 진공 챔버 안에 입자를 가두고 동일한 레이저 빛을 사용하여 입자의 운동을 냉각함으로써, 입자의 회전 운동(libration)을 최저 에너지 상태인 '양자 바닥 상태(quantum ground state)'까지 낮추었습니다.

돌파구는 과학자들이 입자를 붙잡고 있는 트랩의 규칙을 바꾸기로 결정했을 때 찾아왔습니다. 보통 레이저 빛은 입자가 중심에 머물도록 하는 안정적인 그릇 모양의 형태를 만듭니다. 입자가 중심에서 벗어나면 빛이 입자를 다시 밀어 넣는데, 이는 마치 그릇 바닥에 놓인 구슬과 같습니다. 하지만 연구진은 다른 것을 원했습니다. 그들은 레이저의 편광 방향을 빠르게 전환하여, 사실상 그릇을 뒤집어 놓았습니다. 이 새로운 역전된 형태에서 중심은 더 이상 안전한 휴식처가 아니라 위태로운 정점이 됩니다. 만약 구슬을 언덕 꼭대기에 놓는다면, 아주 작은 충격만으로도 구슬은 굴러떨어질 것이며, 멀리 굴러갈수록 더 빠르게 가속될 것입니다. 이것이 바로 연구진이 나노입자를 위해 만들어낸 '역전된 퍼텐셜(inverted potential)'입니다. 즉, 입자가 불안정한 정점 위에 아슬아슬하게 서 있는 상태를 만든 것입니다.

입자가 이 역전된 퍼텐셜 안에 놓였을 때, 입자의 운동은 극적이고 예측 가능한 방식으로 변하기 시작했습니다. 입자가 부드럽게 앞뒤로 흔들리는 대신, 위치와 속도의 요동이 기하급수적으로 커지기 시작했습니다. 운동의 한 측면은 늘어나고 증폭된 반면, 수직 방향의 측면은 압축되고 스퀴징되었습니다. 이 과정은 놀라운 속도로 진행되었습니다. 단 250나노초 만에—이는 단 한 번의 진동 주기보다 5분의 1도 안 되는 짧은 시간입니다—연구진은 입자의 운동을 진공 요동 수준보다 11데시벨 아래로 스퀴징했습니다. 이는 노이즈의 상당한 감소를 의미하며, 즉 입자가 통상적으로 가능한 것보다 훨씬 더 정밀한 운동 상태에 있었음을 뜻합니다. 이 실험은 역전된 퍼텐셜을 사용함으로써, 환경이 섬세한 양자 상태를 파괴하는 일반적인 속도보다 훨씬 더 빠르게 양자 스퀴징을 생성할 수 있음을 보여주었습니다.

연구팀은 또한 이 스퀴징된 상태가 얼마나 오래 지속되는지도 관찰했습니다. 입자를 다시 안정적인 트랩으로 되돌리면, 스퀴징된 상태는 점차 사라지기 시작하여 약 30번의 진동 주기 후에 결국 일반적인 노이즈가 있는 상태로 돌아갔습니다. 연구진은 이러한 붕괴가 입자를 냉각하고 측정하는 데 사용된 바로 그 빛에 의해 발생하며, 이 빛이 미량의 무작위 노이즈를 유입시킨다는 것을 밝혀냈습니다. 그들은 만약 이 특정 노이즈원을 제거할 수 있다면, 스퀴징된 상태가 약 240번의 진동 주기 동안 지속될 수 있으며, 이는 관찰된 것보다 거의 10배 더 긴 시간이라고 계산했습니다. 이는 현재의 한계가 물리 법칙의 근본적인 법칙이 아니라, 더 나은 실험 설계를 통해 극복할 수 있는 기술적 난제임을 시사합니다.

이 연구는 극저온 냉동 장치 없이도 거대 물체의 양자 행동을 제어할 수 있는 새로운 방법을 보여준다는 점에서 중요합니다. 이러한 강력한 스퀴징을 달성하기 위한 이전의 방법들은 얼어붙은 환경에서의 복잡한 전자 설비를 필요로 했습니다. 빛을 사용하여 불안정한 퍼텐셜을 만듦으로써, 연구진은 상온에서의 양자 제어가 가능하다는 것을 입증했습니다. 이러한 스퀴징 상태를 매우 빠르게, 그리고 상온에서 생성할 수 있는 능력은 믿을 수 없을 정도로 약한 힘이나 입자를 감지할 수 있는 새로운 유형의 센서로 가는 길을 열어줍니다. 또한 이는 과학자들이 얼마나 큰 물체가 여전히 양자 법칙에 따라 행동할 수 있는지 확인할 수 있게 함으로써, 양자 역학의 경계를 테스트하는 플랫폼을 제공합니다. 이 실험은 에너지 지형의 모양을 조작함으로써 연구자들이 양자 상태의 생성을 가속화할 수 있음을 증명하며, 미래의 양자 센싱 및 계측 분야를 위한 강력한 도구를 제공합니다.