Pulsed coherent and squeezed driving of a spin-$S$ emitter as a deterministic source of Wigner-negative light

양자 기술의 영역에서 빛은 단순히 방을 밝히는 광선이 아닙니다. 그것은 고전 물리학으로는 설명할 수 없는 방식으로 정보를 전달할 수 있는 섬세한 도구입니다. 양자 컴퓨터를 구축하거나 초정밀 측정을 수행하는 것과 같은 많은 첨단 응용 분야를 위해, 과학자들은 빛이 뚜렷하게 기이한 방식으로 행동하기를 필요로 합니다. 이러한 행동은 종종 빛의 양자 상태를 위한 지형도 역할을 하는 위그너 분포(Wigner distribution)라는 수학적 지도에 의해 설명됩니다. 이 지도 위에서 레이저 포인터에서 나오는 빛과 같은 대부분의 평범한 빛은 매끄럽고 양수인 언덕처럼 보입니다. 그러나 가장 유용한 양자 상태의 빛은 이 지도 위에 "음수"의 골짜기를 가집니다. 이러한 음수 영역은 빛이 고전적인 물체로는 불가능한 방식으로 행동하고 있음을 나타내는 결정적인 징표이며, 차세대 기술을 위한 자원임을 표시합니다. 과제는 항상 이러한 음수 상태를 신뢰성 있게 만드는 것이었습니다. 역사적으로 과학자들은 운에 의존해야 했으며, 빛을 생성한 후 측정이 그것이 제대로 작동했음을 확인하기를 바라는 과정을 거쳐야 했습니다. 이는 느리고 비효к적인 과정입니다.

오클랜드 대학교의 연구팀은 이러한 우연에 대한 의존을 우회하는 방법을 찾아냈습니다. 그들은 상세한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해, 결정론적이고 매우 효율적인 방법을 사용하여 이러한 가치 있는 음수 상태의 빛을 온디맨드(on demand)로 생성할 수 있음을 입증했습니다. 그들의 접근 방식은 짧고 제어된 빛의 펄스를 작은 방출기, 즉 서로 다른 에너지 상태로 존재할 수 있는 단일 원자 유사 시스템에 발사하는 것을 포함합니다. 펄스의 형태와 상호작용의 타이밍을 정교하게 조절함으로써, 그들은 방출기를 빠져나오는 빛이 위그너 지도상에 깊은 음수 골짜기를 가진 상태로 변하도록 강제할 수 있습니다. 연구진은 이 방법이 연속적이고 일정한 흐름의 빛을 사용할 때보다 훨씬 더 큰 수준의 양자적 기이함을 가진 빛을 생성한다는 것을 발견했습니다. 그들은 들어오는 펄스의 강도와 형태를 조정함으로써, 공간적으로 이동된 단일 광자와 유사한 상태나, 심지어 두 개의 서로 다른 압축된 상태(squeezed states)의 중첩처럼 보이는 더 이국적인 형태를 포함하여 특정하고 매우 복잡한 양자 상태를 만들 수 있음을 보여주었습니다.

연구는 기본 스위치처럼 켜지거나 꺼질 수 있는 두 단계 시스템(two-level system)을 살펴보는 것으로 시작합니다. 이 시스템이 결맞는(coherent) 빛의 펄스를 맞을 때, 연구진은 출력되는 빛이 강한 음수 특징을 나타내도록 조정될 수 있음을 관찰했습니다. 그들은 펄스가 강해짐에 따라 음수 값이 단순히 일정하게 증가하는 것이 아니라, 복잡한 패턴으로 요동친다는 것을 발견했습니다. 최적화 기법을 사용하여 펄스 폭과 타이밍의 완벽한 조합을 찾음으로써, 그들은 변위된 단일 광자 상태(displaced single-photon state)에 매우 근접한 상태를 생성하는 특정 설정을 식별했습니다. 이는 불필요한 결과를 걸러낼 필요 없이 양자 컴퓨팅의 근본적인 구성 요소를 신뢰성 있게 만드는 방법을 시사한다는 점에서 중요한 발견입니다. 시뮬레이션 결과, 이 최적의 상태는 이전의 연속 구동 방식에서 달성된 것보다 5배 이상 큰 음수 부피(negative volume), 즉 "양자성"의 척도를 가졌습니다.

연구진은 조사 범위를 더 복잡한 방출기, 즉 단순한 스위치라기보다는 여러 설정이 있는 다이얼과 유사하게 여러 에너지 준위를 가질 수 있는 시스템으로 확장했습니다. 그들은 이러한 고스핀(higher-spin) 시스템을 빛의 펄스로 구동했을 때 훨씬 더 극적인 결과를 얻었습니다. 방출기의 복잡성이 증가함에 따라 출력되는 빛의 음수 정도도 크게 증가했습니다. 스핀이 3/2인 시스템의 경우, 음수 부피는 현재 알려진 다른 모든 결정론적 방법을 훨씬 능가하는 수준에 도달했습니다. 이 새로운 상태의 형태는 다중 광자의 패턴과 닮아 있었으며, 이는 이 기술이 특정 입자 수를 가진 상태를 결정론적으로 생성하는 데 사용될 수 있음을 시사합니다. 이는 현재 달성하기 매우 어려운 능력입니다.

두 번째 조사 라인에서, 팀은 표준 결맞는 빛 펄스를 압축된 빛(squeezed light) 펄스로 교체했습니다. 압축된 빛은 한 가지 특성의 불확실성을 줄이는 대신 다른 특성의 불확실성을 높이는 특별한 유형의 빛으로, 정밀도를 위한 강력한 도구입니다. 그들이 이 단순한 두 단계 시스템을 압축된 펄스로 구동했을 때, 결과로 나온 빛의 상태는 "슈뢰딩거의 고양이" 상태, 즉 두 개의 뚜렷한 양자 현실의 중첩처럼 보였습니다. 이러한 상태는 오류 수정이 가능한 양자 컴퓨팅을 위한 잠재력 때문에 매우 가치가 높습니다. 시뮬레이션 결과, 펄스 방식은 연속적인 상태 방식보다 다시 한번 뛰어난 성능을 보였으며, 훨씬 더 깊은 음수 골짜기를 가진 상태를 생성했습니다. 연구진은 압축 정도와 펄스의 타이밍을 미세하게 조정하여 이 효과를 극대화할 수 있었고, 생성된 상태가 이론적인 압축된 고양이 상태와 거의 동일한 최적의 지점을 찾아냈습니다.

아마도 가장 놀라운 발견은 그들이 압축된 펄스를 세 개의 에너지 준위를 가진 스핀-1 방출기에 적용했을 때 나왔을 것입니다. 여기서 물리학은 독특한 방향으로 흘러갔습니다. 압축된 빛과 3단계 시스템 사이의 상호작용은 2-광자 성분이 거의 완전히 사라진 상태를 초래했습니다. 출력되는 빛에서 정확히 2개의 광자를 발견할 확률은 억제된 반면, 다른 수의 광자들은 남아 있었습니다. 연구진이 "2-광자 배제(two-photon exclusion)"라고 부르는 이 현상은, 양자 지도에 격자 형태의 패턴을 만드는데, 이는 GKP 상태로 알려진 특정 유형의 양자 오류 수정 코드와 유사합니다. 이러한 상태는 노이즈로부터 정보를 보호할 수 있기 때문에 견고한 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 성배로 간주됩니다. 시뮬레이션 결과, 이렇게 생성된 빛은 이러한 이상적인 GKP 상태와 높은 유사성을 공유하며, 이를 결정론적으로 생성하기 위한 새로운 경로를 제공합니다.

연구 전반에 걸쳐 연구진은 이 결과들이 광원이 방출기를 거쳐 포획 공동(capture cavity)으로 흐르는 계단식 시스템(cascaded system)의 엄격한 수치 시뮬레이션에서 비롯되었음을 강조했습니다. 그들은 빛 펄스가 방출기와 상호작용하는 방식과 펄스의 타이밍이 최종 상태에 미치는 영향을 정밀하게 모델링했습니다. 또한, 잘못된 방향으로 빛이 새어 나가거나 방출기가 빛과 약간 어긋나는 등의 결함이 결과에 어떤 영향을 미치는지도 탐구했습니다. 그들의 분석에 따르면, 이러한 결함들이 음수 상태의 품질을 저하시키기는 하지만, 시스템이 적절히 튜닝되어 있는 한 핵심적인 효과는 견고하게 유지되었습니다. 연구는 연속 구동에서 펄스 구동으로 전환하고, 다양한 수의 에너지 준위를 가진 방출기를 활용함으로써, 매우 다양한 비고전적 양자 상태를 생성할 수 있다는 결론을 내립니다. 이 연구는 결정론적인 음수 위그너 빛의 원천을 위한 이론적 청사진을 제공하며, 이 취약하면서도 강력한 물질 상태에 의존하는 실질적인 양자 기술의 실현에 한 걸음 더 다가가게 합니다.