Dissipation-selected photon-phonon pair and photon-bundle emission in a tripartite Mollow system

차세대 양자 기술을 구축하려는 여정에서, 과학자들은 오랫동안 에너지 손실, 즉 소산(dissipation)을 적대적인 존재로 취급해 왔다. 입자들이 상태의 취약한 중첩 상태로 존재하는 정교한 양자 역학의 세계에서, 외부 환경과의 모든 상호작나은 정보를 뒤섞고 양자 시스템을 유용하게 만드는 바로 그 특성들을 파괴하는 경향이 있다. 수십 년 동안 목표는 이러한 시스템을 완벽하게 격리하여 우주의 노이즈로부터 보호함으로써 그 특별한 상태들을 보존하는 것이었다. 그러나 빛과 물질에 대한 연구로부터 새로운 관점이 등장하고 있다. 연구자들은 손실이 단순히 피해야 할 골칫거리가 아니라, 조절할 수 있는 도구라는 점을 깨닫기 시작했다. 시스템이 에너지를 누출하는 방식을 정교하게 제어함으로써, 어떤 종류의 입자나 상태를 방출할지 결정하여 양자 장치의 출력을 조종하는 것이 가능할지도 모른다. 이러한 사고의 전환은 단순히 붕괴를 막으려는 노력을 넘어, 시스템이 붕괴하는 방식이 어떻게 특정 양자 자원을 선택하는 데 사용될 수 있는지, 즉 잠재적인 약점을 제어 메커니즘으로 바꾸는 질문을 던진다.

이 아이디어는 단일 원자가 갇혀 있고 강한 레이저에 의해 구동되면서, 공동(cavity)에 갇힌 빛 및 원자 자신의 운동과 상호작용하는 시스템을 다룬 최근 연구에서 시험되었다. 연구진은 원자, 빛, 그리고 운동이 서로 밀접하게 연결되어 이른바 삼체(tripartite) 시스템이라고 불리는 구조를 형성하는 시나리오를 만들었다. 정상적인 상황에서, 이러한 시스템이 강하게 구동되면 원자의 에너지 준위가 갈라지고 재배열되어, 광자 쌍과 운동 입자 쌍을 동시에 생성할 수 있는 복잡한 구조를 만드는 영역에 진입한다. 연구팀은 빛이 공동에서 새어 나오는 것과 운동이 감쇠되는 것, 이 두 채널로부터 발생하는 에너지 손실의 대칭성이 실제로 무엇이 시스템 밖으로 나갈지를 결정할 수 있는지 알고 싶었다. 그들은 답이 확실히 '예'라고 밝혀냈다. 빛이 탈출하는 속도와 운동이 느려지는 속도 사이의 균형을 단순히 조절함으로써, 레이저나 원자 자체를 바꾸지 않고도 시스템의 출력을 한 종류의 양자 상태에서 완전히 다른 종류로 전환할 수 있었다.

연구진은 알칼리 토금속 원자의 단순화된 버전인 이준위 원자를 트랩에 가두고 고품질 광학 공동에 결합시킨 설정을 시뮬레이션했다. 이 시스템을 강한 레이저장으로 구동하자 원자가 진동하며 빛 및 자신의 운동과 상호작용하게 되었다. 이 환경에서 시스템은 자연스럽게 광자(빛의 입자)와 포논(운동 또는 진동의 입자)의 상관관계가 있는 쌍을 생성하는 경향을 보인다. 연구진이 빛과 운동이 같은 속도로 누출되도록 설정했을 때, 시스템은 대칭적인 설정에 기대하는 대로 작동했다. 즉, 빛과 운동 입자를 서로 긴밀하게 연결된 쌍으로 방출했다. 이 쌍들은 단일 단위이거나 여러 단위의 집합체일 수 있지만, 항상 강한 연결성을 유지하며 빛과 운동이 시스템을 떠날 때 서로 동기화된 상태를 유지했다. 이는 손실 채널이 균형을 이룰 때, 시스템이 생성하는 하이브리드 성격의 여기(excitation)를 보존한다는 것을 확인시켜 주었다.

그러나 연구진이 이 대칭성을 깨뜨렸을 때 이야기는 급격히 변했다. 그들은 빛이 공동에서 훨씬 더 빠르게 누출되는 상황을 시뮬레이션했다. 이 비대칭 영역에서는 시스템의 행동이 근본적으로 변화했다. 빛이 너무 빨리 탈출하기 때문에, 운동이 따라잡을 시간을 갖지 못했다. 연결된 쌍을 방출하는 대신, 시스템은 순수한 묶음 형태의 빛 입자들을 방출하기 시작했고, 그동안 운동 입자들은 내부에 갇혀 더 높은 에너지 상태로 축적되었다. 연구진은 빛의 손실률과 운동의 손실률 사이의 비율을 높임으로써, 상관관계가 있는 쌍의 출력을 고순도의 단일 광자 또는 두 개의 광자 묶음으로 변환할 수 있음을 관찰했다. 운동은 동일한 속도로 탈출하지 못해 에너지를 붙잡아 두는 저장 탱크 역할을 하며, 빛이 빠르게 필터링되어 방출되는 동안 에너지를 보유했다. 이는 소산의 대칭성이 하이브리드 혼합물과 순수한 빛의 흐름 중 무엇을 방출할지 결정하는 스위치 역할을 한다는 것을 입증했다.

이러한 선택이 어떻게 일어났는지 이해하기 위해, 팀은 방출의 타이밍과 통계를 조사했다. 그들은 입자들이 시간에 따라 어떻게 도착하는지 측정하였고, 대칭적인 경우에 빛과 운동이 상관관계가 있는 그룹으로 함께 도착한다는 것을 발견했다. 비대칭적인 경우, 빛은 서로 구별되는 버스트(bursts) 형태로 도착하여 시스템이 순수한 빛 묶음을 방출하는 상태로 전환되었음을 보여주었다. 또한 그들은 특정 상태에서 입자를 발견할 확률을 매핑하는 수학적 도구를 사용하여 시스템의 내부 상태를 조사했다. 이 맵들은 대칭적인 경우에 시스템이 빛과 운동 사이에 비고전적인 연결성을 유지하고 있음을 보여주었다. 반면 비대칭적인 경우, 이 연결성은 빛에 대해서는 깨져서 빛이 순수한 양자 상태가 된 반면, 운동은 복잡하고 저장된 상태로 남아 있었다. 이 전이는 매끄럽고 제어 가능하여, 연구진은 손실률을 변경하는 것만으로 시스템을 한 영역에서 다른 영역으로 조절할 수 있었다.

이 연구는 열린 양자 시스템에서의 명확한 역할 분담을 강조한다. 레이저에 의해 구동되는 결맞음 상호작용(coherent interactions)은 빛과 운동의 얽힌 쌍과 같은 복잡한 양자 자원을 생성할 잠재력을 만든다. 그러나 소산, 즉 시스템이 에너지를 잃는 방식이 이러한 자원이 실제로 외부 세계로 어떻게 전달될지를 결정한다. 연구진은 소산을 튜닝함으로써 시스템이 하이브리드 상태 또는 순수한 광자 상태를 방출하도록 유도할 수 있음을 보여주었다. 이 발견은 소산이 단순한 오류의 원인이 아니라 프로그래밍 가능한 자원임을 시사한다. 이는 환경의 에너지 흡수 능력을 조절함으로써 다양한 종류의 비고전적 빛을 생성하도록 실시간으로 전환 가능한 양자 방출기를 설계할 수 있는 길을 열어준다. 이러한 접근 방식은 특정 유형의 양자 상태를 요구하는 양자 네트워크 및 센서를 개발하는 데 매우 중요할 수 있으며, 손실을 정교하게 관리함으로써 양자 행동을 공학적으로 설계하는 새로운 방법을 제공한다.