Exploring Quantum Phase Transitions Beyond Landau Theory on a Quantum Processor
초전도 양자 프로세서를 사용하여, 본 연구는 좌절된 스핀 사슬에서의 란다우 금지된 강자성-가전자 결합 고체 전이를 조사하며, 기존의 란다우-긴즈부르크-윌슨 패러다임에 도전하는 임계 상관관계와 비평형 역학을 성공적으로 규명한다.
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물질의 세계에서 과학자들은 물질이 그 성질을 어떻게 변화시키는지 이해하기 위해 오랫동안 일련의 규칙들에 의존해 왔습니다. 군중이 갑자기 모두 같은 방향을 바라보기로 결정하는 상황을 상상해 보십시오. 이러한 무질서에서 질서로의 변화를 상전이라고 부릅니다. 수십 년 동안, 이 변화를 설명하는 표준적인 방식인 란다우 이론(Landau theory)은 물질이 변할 때 한 종류의 질서를 점진적으로 잃으면서 동시에 다른 종류의 질서를 얻게 된다고 제안했습니다. 만약 두 종류의 질서가 완전히 무관하다면—예를 들어, 군중이 북쪽을 바라보기로 결정하는 것과 군중이 쌍을 이루기로 결정하는 것이 서로 상관없는 것처럼—이 이론은 이들이 서로 직접 전환될 수 없다고 예측했습니다. 대신, 그 변화는 지저분하거나, 갑작스럽거나, 혹은 두 행동이 공존하는 지저한 중간 단계가 필요할 것이라고 보았습니다. 그러나 '디컨파인드 양자 임계성(deconfined quantum criticality)'이라 불리는 더 이색적인 새로운 아이디어는 자연이 더 유연할 수 있음을 제唆합니다. 이는 적절한 조건 하에서, 서로 무관한 두 질서가 정확히 동시에 사라지고 나타날 수 있으며, 기존의 규칙이 더 이상 적용되지 않는 기묘하고 유동적인 상태를 통과할 수 있다고 제안합니다. 이 개념는 주로 복잡한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 연구되어 왔으며, 이에 대한 격렬한 논쟁의 대상이었지만, 이를 실제 세상에서 증명하는 것은 중대한 과제로 남아 있었습니다.
연구팀은 이제 이 금지된 전이를 실시간으로 관찰하기 위해 양자 컴퓨터를 사용하여 이 질문을 해결하는 데 있어 중요한 진전을 이루었습니다. 그들은 자기 입자, 즉 위 또는 아래를 향할 수 있는 작은 자석으로 생각할 수 있는 스핀들의 1차원 사슬에 초점을 맞추었습니다. 이 설정에서 그들은 두 가지 경쟁하는 힘 사이의 줄다리기를 만들었습니다. 한 가지 힘은 모든 스핀이 같은 방향으로 정렬되도록 하여 균일한 자기 상태를 만들고자 했습니다. 다른 한 가지 힘은 스핀들이 이웃들과 강하고 약한 결합을 번갈아 가며 맺도록 하여, '발런스 본드 솔리드(valence-bond solid)'라고 알려진 상태를 만들고자 했습니다. 기존의 규칙에 따르면, 이 두 상태는 혼란스러운 방해 없이 서로 직접 전환될 수 없어야 합니다. 하지만 연구진은 경쟁하는 힘의 강도를 세심하게 조절함으로써, 시스템이 균일한 상태에서 쌍을 이룬 상태로 매끄럽게 이동하는 것을 관찰했습니다.
양자 프로세서에서 이를 구현하기 위해 연구팀은 어려운 장애물에 직면했습니다. 복잡하게 얽힌 자기 사슬의 상태를 만드는 것은 현재의 기계들이 유지하기 힘든 수준의 정밀도를 요구하기 때문입니다. 그들은 슈퍼컴퓨터의 능력과 양자 하드웨어를 결합한 영리한 트릭을 사용하여 이 문제를 해결했습니다. 먼저, 강력한 고전 컴퓨터를 사용하여 자기 사슬 상태의 정확한 형태를 계산했습니다. 그런 다음, 이 복잡한 수학적 설명을 양자 프로세서가 따를 수 있는 단순화된 명령 세트로 변환했습니다. 이를 통해 연구진은 불가능할 정도로 길고 오류가 발생하기 쉬운 일련의 연산 과정 없이도 시스템을 올바른 상태로 준비할 수 있었습니다. 일단 상태가 준비되면, 연구진은 시스템의 좌절(frustration)을 증가시키면서 스핀이 어떻게 행동하는지 측정했습니다.
결과는 명확했으며 이색적인 이론의 예측과 일치했습니다. 경쟁하는 힘을 높임에 따라, 균일한 상태를 특징짓던 스핀의 장거리 정렬이 빠르게 사라졌습니다. 동시에, 쌍을 이룬 상태의 교대하는 결합 패턴이 나타났습니다. 결정적으로, 연구진은 바로 그 전환의 순간에 발생하는 요동, 즉 스핀의 미세하고 무작위적인 떨림을 관목했습니다. 그들은 두 경쟁하는 질서의 요동이 독립적으로 작용하지 않는다는 것을 발견했습니다. 대신, 그것들은 마치 동전의 양면처럼 서로 하나로 섞여 행동하는 것처럼 보였습니다. 이러한 행동은 디컨파인드 임계성 이론의 특징이며, 이는 시스템이 두 무관한 질서가 밀접하게 연결된 독특한 임계점을 통과했음을 시사합니다.
연구팀은 정적인 모습에 머물지 않고 시스템이 시간에 따라 어떻게 진화하는지도 관찰했습니다. 그들은 사슬을 완벽하게 쌍을 이룬 상태로 시작하여, 사물을 흔들어 놓는 리드미컬한 구동력을 가했습니다. 이렇게 함으로써, 그들은 쌍을 이룬 결합이 약해지는 동시에 자기 요동이 강해지는 것을 지켜보았습니다. 이러한 역동적인 변화는 두 질서가 실제로 경쟁하고 있으며 서로로 변형될 수 있음을 확인시켜 주었습니다. 최대 96개의 양자 비트로 구성된 사슬을 테스트함으로써, 그들은 적절한 준비 방법이 사용된다면 오늘날의 노이즈가 있는 기계에서도 이러한 미묘한 이색 물리학의 징후들을 포착할 수 있음을 보여주었습니다.
이 연구가 이러한 전이에 관한 모든 미스터리를 해결했다고 주장하는 것은 아니며, 이 이론이 모든 경우에 완벽하다는 것을 증명하는 것도 아닙니다. 측정은 유한한 크기의 사슬에서 수행되었으며, 사용된 양자 컴퓨터는 여전히 노이즈와 한계의 영향을 받습니다. 그러나 이 연구는 두 무관한 자기 질서 사이의 직접적이고 연속적인 전이가 가능하다는 것과 관찰 가능하다는 것을 성공적으로 입증했습니다. 또한 이 연구는 이러한 현상을 조사하기 위한 다재다능한 새로운 프레임워크를 제공하며, 양자 프로세서가 이제 가장 복잡하고 반직관적인 물질의 행동을 연구하기 위한 강력한 현미경 역할을 할 수 있음을 보여주었습니다. 이 발견은 상전이에 관한 기존의 규칙들이 전체 이야기가 아니며, 자연이 우리가 이전에 생각했던 것보다 더 유동적이고 상호 연결된 방식으로 상태를 변화시키는 것을 허용한다는 점을 시사합니다.
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