Pure dephasing destroys two-photon amplitude, not nonlinear phase

전기 대신 빛을 사용하는 새로운 종류의 컴퓨터를 구축하려는 여정에서, 과학자들은 개별 광자, 즉 빛의 입자들이 서로 대화할 수 있는 방법을 찾고 있습니다. 보통 빛의 줄기는 마치 두 대의 자동차가 평행한 고속도로를 달리는 것처럼 서로 상호작용하지 않고 그대로 통과합니다. 그러나 프로세서를 만들기 위해서는 연구자들이 이 빛 입자들이 서로에게 영향을 미치게 하여, 다른 신호의 존재에 따라 신호를 켜거나 끌 수 있는 스위치를 만들어내야 합니다. 이를 달성하기 위한 유망한 방법 중 하나는 빛을 안내하는 미세한 채널 안에 '양자 방출체'라고 알려진 작은 인공 원자를 배치하는 것입니다. 단일 광자가 이 방출체에 부딪히면 흡수되었다가 다시 방출될 수 있는데, 여기에는 결정적인 반전이 있습니다. 바로 빛의 파동이 그 형태를 뒤집어, 효과적으로 양(+)의 정점을 음(-)의 정점으로 바꾸는 것입니다. 이 뒤집힘은 빛의 파동이 서로 어떻게 정렬되는지를 결정하는 특성인 '위상(phase)'의 구체적인 변화입니다. 만약 이 시스템이 완벽하게 작동한다면, 이는 양자 네트워크의 근본적인 구성 요소 역할을 하여 빛을 이용한 복잡한 계산을 수행할 수 있게 해줄 것입니다.

문제는 현실 세계가 무질서하다는 점입니다. 이 실험에 사용되는 인공 원자들은 고체 상태 장치, 즉 환경으로 인해 끊임없이 흔들리고 진동하는 물질로 만들어져 있습니다. 이러한 진동은 원자가 고유의 리듬을 잃게 만드는데, 과학자들은 이 과정을 '순수 탈위상(pure dephasing)'이라고 부릅니다. 수년간 이론가들은 이 리듬의 상실이 섬세한 위상 반전을 단순히 흐릿하게 만들어 스위치의 효율을 떨어뜨리거나 반전의 각도를 변화시킬 것이라고 가정해 왔습니다. 지배적인 우려는 환경이 더 시끄러워짐에 따라 빛 파동의 정밀한 타이밍이 어긋나 논리 게이트를 망가뜨릴 것이라는 점이었습니다. 이러한 불확실성은 엔지니어들이 이 부품들이 실제 환경 조건에서도 잘 견딜 수 있을지 알아야 하기 때문에, 신뢰할 수 있는 양자 네트워크를 설계하는 데 있어 큰 장애물이 되어 왔습니다.

퀸즈 대학교의 한 연구팀은 이제 정밀한 이론적 조사를 통해 이 질문에 대한 답을 내놓았습니다. 그들은 두 개의 광자를 포함하는 빛 펄스가 노이즈가 있는 진동하는 방출체에 부딪힐 때 정확히 어떤 일이 일어나는지를 계산했습니다. 그들의 연구는 놀라운 사실을 밝혀냈습니다. 즉, 노이즈가 위상 반전을 전혀 흐릿하게 만들지 않는다는 것입니다. 대신, 위상 반전은 방출체가 아무리 흔들리더라도 정확히 동일한 각도로 고정되어 있습니다. 노이즈는 파동을 회전시키는 것이 아니라, 단지 파동을 작게 만들 뿐입니다. 연구진은 신호의 강도가 환경이 시끄러워짐에 따라 약해지기는 하지만, 그 신호의 방향은 완벽하게 고정되어 있다는 것을 발견했습니다. 위상은 회전하는 것이 아니라 고정되어 있는 것입니다.

이 발견은 이러한 시스템의 실패를 이해하는 방식을 바꿉니다. 문제는 올바른 논리의 상실이 아니라 신호의 '부피' 상실이라는 것이 밝혀졌습니다. 연구진은 노이즈가 파동의 타이밍인 위상이 아니라, 파동의 높이나 강도인 진폭을 파괴한다는 것을 보여주었습니다. 완벽한 세상이라면 결함이 있는 시스템에서 단일 광자와 쌍을 이룬 광자는 모두 동일한 양만큼 어두워져야 합니다. 그러나 연구 결과, 노이로스는 이들을 다르게 취급한다는 것이 드러났습니다. 두 광자 신호는 단일 광자 신호보다 노이즈 속에서 훨씬 더 잘 살아남습니다. 이는 시스템이 단순히 조용해지는 것이 아니라, 그 성격 자체가 변한다는 것을 의미합니다. 단일 광자와 두 개의 광자를 처리하는 방식 사이의 균형이 기계의 조절 장치를 조정하는 것만으로는 해결할 수 없는 방식으로 이동합니다.

연구진은 자신들의 새로운 수학적 공식이 시스템의 가능한 모든 상태를 추적하는 또 다른 매우 상세한 시뮬레이션 방법과 완벽하게 일치하는지 비교함으로써 자신들의 발견을 검증했습니다. 두 방법은 완벽하게 일치했으며, 이는 그들의 새로운 공식이 옳음을 확인해 줍니다. 또한 그들은 노이즈가 전혀 없는 상태를 가정한 기존 이론들과 자신들의 결과를 비교하였고, 노이즈를 껐을 때 자신들의 접근 방식이 기존 결과와 일치함을 확인했습니다. 이는 노이즈가 있는 시스템에 대한 그들의 설명이 정확하다는 높은 신뢰를 줍니다. 이 연구의 핵심 부분은 과학자들이 두 개의 광자의 거동을 계산할 때 범하는 흔한 실수를 바로잡는 것이었습니다. 이전의 방법들은 두 개의 광자의 거동이 단순히 두 개의 단일 광자의 거동을 곱함으로써 예측될 수 있다고 가정했습니다. 연구진은 노이즈가 도입되는 순간 이 가정이 무너진다는 것을 증명했으며, 이는 얼마나 많은 광자 쌍이 살아남을지를 예측하는 데 있어 상당한 오류를 초래한다는 것을 밝혀냈습니다.

이 연구가 양자 컴퓨터 구축에 주는 시사점은 심오합니다. 위상은 신호가 약해지더라도 정확하게 유지되기 때문에, 스위치의 근본적인 논리는 보존됩니다. 그러나 신호 강도가 떨어지고 단일 광자와 두 개의 광자가 다르게 영향을 받는다는 사실은, 엔지니어들이 노이즈를 단순히 빛의 일반적인 감쇄로 취급해서는 안 된다는 것을 의미합니다. 엔지니어들은 서로 다른 수의 광자를 처리하는 방식에서의 특정한 왜곡을 반드시 고려해야 합니다. 이 왜곡은 재료와 환경의 고정된 특성이므로, 소프트웨어로 학습시키거나 교정할 수 없습니다. 연구진은 위상 게이트가 타이밍 측면에서는 의도한 대로 작동하지만, 그 대가는 '대조도(contrast)'의 상실, 즉 신호를 배경으로부터 구별하기 어렵게 만드는 것이라고 결론지었습니다. 이 통찰은 향후 설계를 위한 명확한 로드맵을 제공하며, 연구의 초점이 위상을 수정하는 것에서 신호 강도의 불균등한 손실을 관리하는 것으로 옮겨져야 함을 보여줍니다.