Selective Control and Imaging of Higgs and Goldstone Modes with a Quantum Simulator

물리적 세계에서 많은 시스템은 궁극적으로 사용하지 않기로 선택한 숨겨진 대칭성의 잠재력을 지니고 있습니다. 자석을 예로 들면, 물리학 법칙은 모든 방향을 동등하게 다루지만, 자석은 스스로 특정한 북극과 남극을 선택하며 그 완벽한 균형을 깨뜨립니다. '자발적 대칭성 깨짐(spontaneous symmetry breaking)'이라고 알려진 이 현상은 자석이 어떻게 작동하는지부터 입자가 왜 질량을 갖는지에 이르기까지 모든 것을 설명하는 근본적인 원리입니다. 시스템이 이러한 대칭성을 깰 때, 시스템은 단순히 새로운 상태로 안착하는 데 그치지 않고, 재료를 통해 이동하는 파동, 즉 집단적인 진동을 발생시킵니다. 초유체(superfluid)—마찰 없이 흐르는 유체—의 영역에서 이러한 파동은 두 가지 뚜렷한 종류로 나타납니다. 한 유형은 연못을 가로지르는 파도처럼 밀도의 변화를 따라 앞뒤로 출렁이는 방식입니다. 다른 유형은 전체 밀도는 변화시키지 않으면서, 마치 숨 쉬는 폐처럼 팽창하고 수축하며 시스템의 강도를 맥동시키는 방식입니다. 전자는 잘 알려진 파동인 반면, 후자는 시스템의 아주 미세한 강도 변화를 다루는 더 포착하기 어려운 진동으로, 연구하기가 매우 까다로운 것으로 알려져 왔습니다.

최근 한 연구팀이 초전도 회로로 구축된 양자 시뮬레이터를 사용하여 통제된 실험실 환경에서 이 두 가지 뚜렷한 진동을 성공적으로 분리하고 시각화했습니다. 인공 원자로 구성된 2차원 격자를 만듦으로써, 그들은 더 큰 자연계에서는 불가능한 정밀도로 이 모드들을 자극하고 관찰할 수 있었습니다. 실험은 인공 원자들이 격자 형태로 배열되어 있으며, 각 지점에 평균적으로 정확히 하나의 입자가 놓여 있는 특정 상태에 초점을 맞추었습니다. 이 상태에서 시스템은 초유체처럼 행동합니다. 연구진은 원자들 사이의 연결을 세심하게 조정함으로써 격자 전체가 강도를 맥동하게 하여, 그 까다로운 '호흡하는(breathing)' 진동을 만들어낼 수 있었습니다. 반대로, 특정한 패턴의 국소적인 밀고 당김을 적용함으로써 밀도파를 생성할 수 있었습니다. 결정적으로, 그들은 자신들의 작은 유한한 시스템 내에서 호흡 진동이 빠르게 사라지지 않는다는 것을 발견했습니다. 대신, 이 진동은 오랫동안 날카롭고 명확한 신호를 유지했는데, 이는 무한한 거시적 세계에서 일어나는 현상과는 극명한 대조를 이루는 행동입니다.

연구진은 인공 원자처럼 작동할 수 있는 초전도 회로인 트랜스몬 큐비트(transmon qubit) 격자를 구축함으로써 이를 달성했습니다. 그들은 이 회로들이 입자들이 격자 상의 지점 사이를 건너뛰는 방식을 설명하는 이론적 틀인 보스-허바드 모델(Bose-Hubbard model)을 모사하도록 프로그래밍했습니다. 이 설정에서는 인접한 지점 사이의 상호작용 강도를 조절할 수 있었으며, 특정 지점에 입자가 머무는 데 드는 에너지 비용 또한 조절할 수 있었습니다. 연구팀은 격자가 평균적으로 정확히 한 개의 입자당 한 지점으로 채워진 영역에서 작업했는데, 이는 초유체의 출현을 가능하게 하는 조건입니다. 현상을 관찰하기 위해, 그들은 물리학자들이 초유체를 설명할 때 흔히 사용하는 추상적인 '질서 매개변수(order parameter)'를 측정하는 대신, 각 지점의 입자 수를 직접 관찰했습니다. 그들은 시스템이 '호흡' 모드로 진동할 때, 두 개의 입자가 있는 지점의 수가 빈 지점의 수와 함께 동기화되어 오르내리는 것을 발견했으며, 이때 전체 입자 수는 일정하게 유지되었습니다. 입자가 두 개 있는 상태와 없는 상태 사이의 이러한 맥동은 전체 평균을 유지하면서 발생하는 현상으로, 이는 진폭 모드(amplitude mode)의 특징입니다.

이 특정한 진동을 유발하기 위해, 연구진은 모든 지점 사이의 연결에 균일한 변조(uniform modulation)를 가했습니다. 연결 부위에 가해진 이 전역적인 밀고 당김은 격자 전체의 내부 구조를 팽창 및 수축하게 만들었습니다. 그들은 '더블론 분율(doublon fraction)'이라 부르는, 두 개의 입자를 가진 지점의 비율을 측정함으로써 결과로 나타나는 진동을 감지했습니다. 데이터는 이 분율의 명확한 리듬감 있는 오르내림을 보여주었으며, 이는 시스템이 진폭 모드에서 진동하고 있음을 확인시켜 주었습니다. 별도의 실험에서, 연구진은 공간적으로 변화하는 퍼텐셜을 적용하여 밀도파 모드를 자극했는데, 이는 입자들을 격자 전체에 파동 형태로 밀어내는 방식입니다. 이로 인해 파동이 격자를 통과할 때 입자의 국소 밀도가 높아졌다 낮아졌다 하게 되었습니다. 두 모드는 서로 다른 유형의 입력에 반응하며 서로 간섭하지 않았는데, 이는 이들이 서로 다른 대칭성을 가진 별개의 물리적 현상임을 확인해 줍니다.

이 연구의 핵심적인 발견은 시스템의 크기가 이러한 진동의 수명에 어떻게 영향을 미치는지에 관한 것입니다. 이론적으로 무한히 큰 시스템에서 '호흡' 모드는 빠르게 감쇠할 것으로 예상됩니다. 이는 낮은 에너지의 밀도파 쌍으로 분해됨으로써 발생하며, 이 과정은 신호를 흐릿하게 만들어 관찰을 어렵게 만듭니다. 그러나 4x4에서 7x7 사이트 규모의 연구진의 중간 규모(mesoscopic) 시스템에서는 이러한 감쇠 경로가 차단되었습니다. 시스템이 유한했기 때문에, 가능한 낮은 에너지 상태들은 연속적인 흐름이 아니라 불연속적인 단계들의 집합이었습니다. 이러한 불연속성은 호흡 모드가 쉽게 분해되는 것을 방지하여, 그것이 결맞는(coherent) 장기 지속 흥분 상태로 남을 수 있게 했습니다. 연구진은 지점 사이의 연결을 조절하며 시간이 경과함에 따라 시스템이 어떻게 진화하는지 관찰함으로써 이를 확인했습니다. 그들은 더블론 분율이 수백 나노초 동안 진동하는 것을 보았는데, 이는 신호가 거의 즉시 씻겨 내려가 버릴 더 큰 시스템에서는 불가능한 지속 시간입니다.

연구팀은 또한 시스템이 입자들이 제자리에 갇혀 있는 상태에서 초유체 상태로 이동함에 따라 이러한 진동이 어떻게 변하는지 지도화했습니다. 그들은 지점 사이의 호핑(hopping) 강도를 변화시키며 진동의 주파수를 측정했습니다. 그들은 호흡 모드의 주파수가 절연 상태와 초유체 상태 사이의 전이점에 해당하는 특정 지점에서 최솟값에 도달한다는 것을 발견했습니다. 반면, 밀도파 모드는 시스템이 더 초유체적이 됨에 따라 주파수가 떨어지는 다른 거동을 보였습니다. 수치 시뮬레이션과 실험 결과를 비교함으로써, 연구진은 자신들의 관찰 결과가 유한한 크기의 시스템에 대한 이론적 예측과 일치함을 확인했습니다. 시뮬레이션은 시스템 크기가 커짐에 따라 호흡 모드의 불연속적인 피크들이 점차 합쳐져, 결국 열역학적 극한에서 기대되는 넓고 불분명한 특징을 형성하게 됨을 보여주었습니다.

이 연구는 유한한 양자 시뮬레이터가 거대 규모의 극한에서 종종 가려지는 물리적 현상을 탐구하는 강력한 도구가 될 수 있음을 보여줍니다. 연구진은 제어할 수 있을 만큼 작으면서도 집단적 행동을 나타낼 수 있을 만큼 큰 시스템을 활용하여, 힉스(Higgs)와 유사한 진폭 모드를 고립시키고 명확하게 관찰할 수 있었습니다. 그들은 시스템의 유한한 크기가 흔히 실험의 한계로 여겨지지만, 여기서는 오히려 진동을 보호하는 스펙트럼 갭을 생성함으로써 독특한 이점을 제공한다는 점을 입증했습니다. 추상적인 질서 매개변수를 직접 측정할 필요 없이 이러한 모드들을 선택적으로 자극하고 감지할 수 있는 능력은 대칭성 깨짐의 역학을 연구하는 새로운 길을 열어줍니다. 이 결과는 통제된 환경에서 집단적 흥분이 어떻게 행동하는지에 대한 명확한 실험적 그림을 제공하며, 미시적 양자 역학과 거시적 물리 법칙 사이의 간극을 메워줍니다.