Occupation-selective photon-pair interactions in a flux-pumped SQUID resonator

양자 컴퓨팅의 조용하고 초저온인 세계에서, 과학자들은 종종 정보를 저장하기 위해 아주 작은 전기 회로 안에 갇힌 빛을 활용합니다. 이 회로들은 마이크로파 광자(라디오 주파수 대역의 빛 입자)가 사라지지 않고 오랫동안 튕겨 다닐 수 있는 고품질의 방처럼 작동합니다. 이러한 방은 에너지를 유지하는 능력이 매우 뛰어나기 때문에, 단순한 이진 상태 스위치보다 훨씬 더 큰 복잡한 데이터를 저장할 수 있는 광활한 공간을 제공합니다. 그러나 이 데이터를 유용하게 만들기 위해서는 연구자들이 이를 정밀하게 제어할 수 있어야 합니다. 그들은 나머지 시스템을 방해하지 않으면서 빛에 특정 연산을 수행해야 합니다. 수년 동안 이를 수행하는 표준적인 방법은 존재하는 입자의 수에 따라 빛의 음조(pitch)를 변화시키는 것에 의존해 왔는데, 이는 마치 기타 줄을 누를 때 음조가 변하는 것과 비슷합니다. 하지만 이 방식에는 한계가 있습니다. 이는 빛을 단순히 주파수가 변하는 수동적인 객체로 취급할 뿐, 기계의 나머지 부분과 얼마나 강하게 상호작용할지를 능동적으로 변화시키는 존재로 취급하지 않기 때문입니다.

연구팀은 이제 훨씬 더 깊이 파고드는 방법을 발견하여, 한 부분에 있는 입자의 수가 다른 부분에서 발생하는 특정 상호작용의 강도를 직접 제어하되, 첫 번째 부분의 입자 수는 바꾸지 않는 방법을 찾아냈습니다. 피아노를 연주하는 음악가가 있고 근처에 앉은 두 번째 음악가가 단 하나의 건반을 누르고 있는 상황을 상상해 보십시오. 이 새로운 설정에서 두 번째 음악가의 행동은 첫 번째 음의 음조를 바꾸는 데 그치지 않고, 첫 번째 음악가가 특정 화음을 얼마나 크게 또는 작게 연주할 수 있는지를 실제로 변화시킵니다. 이것은 단순히 음조가 미세하게 변하는 것이 아니라, 두 존재 사이의 연결 강도 자체를 근본적으로 변화시키는 것입니다. 전기를 위한 가변형 브리지 역할을 하는 SQUID라는 특수한 초전도 루프를 사용하여, 연구진은 '컨트롤러' 모드의 광자 수가 '신호' 모드의 상호작용 규칙 자체를 재구성하는 시스템을 모델링했습니다.

연구진은 두 가지 서로 다른 진동하는 전기 모드가 동일한 물리적 브리지를 공유하는 회로를 분석했습니다. 그들은 이 브리지에 리드미컬한 자기 신호를 주입했는데, 이는 '플럭스 펌핑(flux pumping)'이라고 알려진 기술로, 신호 모드에 광자 쌍을 생성하도록 설계되었습니다. 보통 과학자들이 이러한 과정을 제어하고자 할 때, 그들은 다른 입자의 존재가 상호작용의 주파수를 이동시킨다는 사실에 의존합니다. 컨트롤러에 입자가 0개이면 신호는 특정 주파수에서 공명하고, 1개가 있으면 다른 주파수에서 공명합니다. 이는 '크로스 커 효과(cross-Kerr shift)'라고 불리는 잘 알려진 현상입니다. 그러나 연구팀은 이 주파수 이동이 이야기의 절반에 불과하다는 것을 발견했습니다. 연구진이 시스템을 정밀하게 튜닝하여 컨트롤러의 입자 수에 관계없이 신호가 완벽하게 공명하도록 만들었음에도 불구하고, 상호작로의 강도(즉, 에너지 준위 사이의 간격)는 여전히 컨트롤러의 입자 수에 따라 변했습니다.

이를 이해하기 위해 연구진은 초전도 루프의 가공할 수학적 구조를 살펴봐야 했습니다. 이 루프는 코사인 함수로 설명될 수 있는 파동처럼 행동합니다. 신호 모드에 광자 쌍을 생성하면서 컨트롤러 모드는 건드리지 않을 정확한 확률을 계산했을 때, 연구진은 컨트롤러의 입자 수가 공식에 직접 나타난다는 것을 발견했습니다. 그것은 마치 컨트롤러가 직접 말을 한마디도 하지 않으면서도 상호작용에 비밀스럽게 속삭이며 그 부피(volume)를 조절하는 것과 같았습니다. 이 효과는 컨트롤러의 양자 요동이 신호 모드와 동일한 비선형 요소 안에 물리적으로 존재하기 때문에 발생합니다. 비록 특정 전이 과정 중에 두 모드 사이에 에너지 교환은 일어나지 않지만, 컨트롤러 입자의 존재 자체가 신호가 통과하는 지형을 수정하는 것입니다.

연구팀은 고급 수학적 모델링과 고정밀 수치 시뮬레이션을 결가하여 이 발견을 검증했습니다. 그들은 자신들의 단순화된 이론을 완벽한 참조점 역할을 하는 회로의 전체 미확장 시뮬레이션과 비교했습니다. 결과는 상호작용의 강도가 컨트롤러의 가능한 상태들에 따라 유의미하게 변한다는 것을 보여주었습니다. 예를 들어, 컨트롤러가 비어 있을 때 상호작용은 특정한 강도를 가졌으나, 컨트롤러에 입자가 하나 있을 때는 강도가 눈에 띄게 감소했습니다. 이러한 변화는 주파수 이동의 부수적인 효과가 아니라, 상호작용 자체의 뚜렷하고 측정 가능한 속성이었습니다. 이 변화를 매핑함으로써, 연구진은 컨트롤러의 상태에 의해 음조와 부피 모두가 독립적으로 제어될 수 있는 2차원적인 풍경을 만들어냈습니다.

이러한 제어 능력은 양자 정보를 처리하는 방식에 새로운 가능성을 열어줍니다. 상호작용 강도가 컨트롤러의 상태에 의존하기 때문에, 연구진은 특정 전이를 선택적으로 구동하면서 다른 전이들은 무시할 수 있었습니다. 그들은 펌프 주파수를 특정 지점으로 튜닝함으로써, 신호를 두 개의 입자에서 네 개의 입자로 가진 상태로 매우 정밀하게 이동시키면서도 다른 잠재적 전이들은 건드리지 않을 수 있음을 입증했습니다. 이러한 선택성은 복잡한 양자 메모리를 구축할 때 매우 중요한데, 이웃한 데이터를 실수로 방해하지 않고 단 하나의 데이터만을 다루어야 하기 때문입니다. 연구진은 펌프를 더 약하게 사용하면 선택성을 더욱 날카롭게 만들 수 있지만, 작업 완료까지 시간이 더 오래 걸린다는 '속도와 정밀도의 트레이드오프' 관계를 발견했습니다.

단순한 선택을 넘어, 연구진은 컨트롤러가 양자 중첩 상태(즉, 효과적으로 두 가지 다른 입자 수를 동시에 보유하는 상태)에 있을 때 어떤 일이 일어나는지 탐구했습니다. 이 시나리오에서 신호 모드는 단 하나의 경로만을 따르는 것이 아니라, 컨트롤러의 상태에 의해 결정되는 두 가지 서로 다른 경로를 동시에 따르게 됩니다. 상호작용 강도와 공명 주파수가 각 경로마다 다르기 때문에, 신호는 두 가지 방식으로 동시에 진화합니다. 이는 컨트롤러와 신호 사이에 깊은 연결, 즉 얽힘(entanglement)을 생성합니다. 연구진은 이 과정이 거의 1 완전 단위의 얽힘을 생성할 수 있다고 계산했는데, 이는 양자 시스템에서 상당한 양이며, 컨트롤러의 상태를 신호의 상태와 고전 물리학으로는 설명할 수 없는 방식으로 연결하는 것입니다.

나아가, 연구진은 이 메커니즘이 매우 복잡하고 비표준적인 양자 상태를 만드는 데 사용될 수 있음을 보여주었습니다. 신호가 특정 컨트롤러 섹터 내에서 구동될 때, 그것은 에너지 준위의 사다리를 타고 올라가며 자신의 형태를 왜곡시키는데, 이 과정에서 양자 지도상에 음의 확률 영역을 만들어냅니다. 이러한 '음의' 영역은 단순한 파동으로는 흉내 낼 수 없는 진정한 양자적 행동의 특징입니다. 연구진은 적절한 컨트롤러 상태를 선택함으로써 신호를 이러한 고도의 비고전적 영역으로 몰아넣을 수 있으며, 다른 컨트롤러 상태에 있는 신호에는 거의 영향을 주지 않은 채로 이를 수행할 수 있음을 발견했습니다. 컨트롤러의 상태를 바꾸는 간단한 스위치만으로 복잡한 양자 역학을 켜고 끌 수 있는 이 능력은, 첨단 양자 오류 수정 및 센싱에 필요한 이국적인 상태들을 생성하는 강력한 도구를 제공합니다.

이 발견은 단지 이론에 그치지 않고, 실제 실험실에서 이를 어떻게 구축할 수 있는지에 대한 명확한 로드맵을 제시했습니다. 연구진은 실제 회로에서 이 효과를 방해할 수 있는 다른 노이즈 신호로부터 이 효과를 격리하기 위해 필요한 구체적인 조건들을 식별했습니다. 다른 원치 않는 모드들의 주파수를 펌프 신호로부터 충분히 멀리 떨어뜨림으로써, 원하는 상호작용이 명확하게 드러나도록 만들 수 있습니다. 연구팀은 초전도 루프와 자기장을 이용한 튜닝 능력 등 필요한 구성 요소들이 이미 현대 양자 컴퓨팅 하드웨어에 갖춰져 있음을 확인했습니다. 이는 '점유 제어 상호작용(occupation-controlled interaction)'이 먼 미래의 꿈이 아니라, 기존 장치에 설계해 넣을 수 있는 기능임을 의미합니다.

결국, 이 연구는 양자 세계의 새로운 제어 층을 드러냈습니다. 이는 한 시스템의 상태가 다른 부분의 주파수를 옮기는 것 이상으로, 그들의 연결 강도를 근본적으로 변화시킬 수 있음을 보여줍니다. 이 발견은 단순한 주파수 튜닝의 개념을 넘어, 상호작용의 본질 자체가 파트너의 양자 상태에 따라 결정되는 방법을 소개합니다. 이러한 조건부 역학을 숙달함으로써, 과학자들은 이전에는 불가능하다고 생각되었던 방식으로 빛을 조작할 수 있는, 더 정밀하고, 더 선택적이며, 더 강력한 양자 기계를 구축할 수 있습니다. 컨트롤러를 적절한 상태로 준비하는 것만으로도 얽힘과 복잡한 양자 상태를 요구에 따라 생성할 수 있다는 능력은, 양자 기술의 실용적 공학을 향한 중요한 진전입니다.