Qubit-environment entanglement in pure dephasing dynamics for mixed initial states

오늘날의 컴퓨터가 도달할 수 없는 문제를 해결할 수 있는 기계를 구축하려는 탐구 과정에서, 과학자들은 양자 세계의 기묘한 법칙을 활용하려고 노력하고 있습니다. 이러한 기계의 핵심에는 큐비트(qubit)라고 불리는 아주 작은 정보 단위가 있습니다. 0 또는 1 중 하나인 표준 컴퓨터의 비트와 달리, 큐비트는 두 상태가 동시에 공존하는 섬세한 조합으로 존재할 수 있습니다. 이러한 능력 덕분에 양자 컴퓨터는 많은 가능성을 동시에 탐색할 수 있습니다. 그러나 이 섬세한 상태는 믿기 힘들 정도로 취약합니다. 큐비트가 주변 환경—그것이 미세한 자기장이든, 진동하는 원자든, 혹은 주변의 열이든—과 상호작용하게 되면, 큐비트는 특유의 양자적 특성을 잃기 시작합니다. 결어긋남(decoherence)이라고 알려진 이 과정은 현재의 기술과 강력한 양자 컴퓨터 사이를 가로막고 있는 주요 장애물입니다.

큐비트를 어떻게 보호할지 이해하기 위해, 연구자들은 큐비트가 환경과 어떻게 얽히는지(entangled) 연구해야 합니다. 얽힘(Entanglement)은 두 물체가 너무 깊게 연결되어, 아무리 멀리 떨어져 있더라도 한 물체의 상태가 다른 물체에 즉각적으로 영향을 미치는 현상입니다. 양자 컴퓨팅의 맥락에서 이러한 연결은 종종 문제가 됩니다. 만약 큐비트가 통제되지 않은 방식으로 환경과 얽히게 되면, 그 안에 담긴 정보가 외부로 새어 나가 계산이 실패하게 됩니다. 수년 동안 과학자들은 이 현상이 정확히 언제 발생하는지 예측할 수 있었지만, 이는 오직 특정 조건 하에서만 가능했습니다. 즉, 큐비트가 완벽하게 순수하고 이상적인 상태에서 시작한다고 가정했을 때뿐이었습니다. 하지만 현실 세계에서 큐비트는 결코 완벽하지 않습니다. 큐비트는 이전의 상호작용이나 불완전한 준비 과정으로 인해 이미 약간 퇴화된 "혼합(mixed)" 상태로 시작하는 경우가 많습니다. 문제는 큐비트가 처음부터 완벽하지 않을 때도 얽힘의 거동이 변하는가 하는 점이었습니다.

체코와 독일의 연구팀은 큐비트가 혼합 상태에서 시작할 때 환경과 어떻게 상호작용하는지를 연구함으로써 이 질문에 답을 내놓았습니다. 그들은 순수 탈위상(pure dephasing)이라고 불리는 특정 유형의 상호작용에 집중했습니다. 이 시나리오에서 환경은 큐비트와 에너지를 교환하지 않습니다. 대신, 단순히 큐비트 내부 리듬의 타이밍을 뒤섞어 놓습니다. 이는 다이아몬드로 만들어진 것과 같은 고체 상태 양자 장치에서 흔히 발생하는 현상입니다. 연구진은 큐비트의 초기 상태를 혼합 상태로 허용함으로써, 얽힘이 어떻게 성장하고 사라지는지에 대한 훨씬 더 복잡하고 놀라운 모습을 밝혀냈습니다.

이 연구는 이상적인 순수 큐비트에 적용되었던 규칙들이 혼합된 큐비트에서는 무너진다는 사실을 보여줍니다. 과거에 과학자들은 순수한 큐비트가 환경과 얽히기 시작하면 즉시 얽힘이 발생한다는 것을 알고 있었습니다. 지연은 없었습니다. 상호작용이 시작되는 순간 연결이 형성되었습니다. 그러나 연구진은 혼합된 큐비트의 경우 이야기가 다르다는 것을 발견했습니다. 많은 경우, 상호작용이 활성화되어 있음에도 불구하고 큐비트와 환경은 일정 기간 동안 완전히 분리된 상태를 유지합니다. 이 조용하고 분리된 단계 이후에야 얽힘이 갑자기 나타납니다. 이 현상은 '얽힘의 갑작스러운 탄생(sudden birth of entanglement)'으로 알려져 있으며, 이전에는 이런 유형의 시스템에서는 불가능하다고 여겨졌습니다. 더욱이, 얽힘이 갑자기 나타나는 것처럼, 마찬가지로 급격히 사라졌다가 나중에 다시 나타나기도 합니다. 이 얽힘의 연결이 갑작스럽게 죽고 갑작스럽게 재탄생하는 순환 과정은, 일단 형성되면 부드럽게 지속되거나 서서히 사라지는 경향이 있는 순수 큐비트에게서는 결코 일어나지 않는 현상입니다.

이러한 아이디어를 테스트하기 위해, 연구팀은 다이아몬드 결정 격자 내의 결함이자 큐비트 역할을 하는 질소-공석(nitrogen-vacancy) 중심을 포함한 현실적인 시나리오를 시뮬레이션했습니다. 그들은 이 큐비트가 주변의 핵 스핀(주변 원자들로부터 나오는 미세한 자기 모멘트)이라는 희박한 환경과 어떻게 상호작용하는지 모델링했습니다. 연구진은 얽힘을 추적하기 위해 두 가지 다른 방법을 사용했습니다. 한 방법은 순수 상태에 대해 효과가 입증된 수학적 검증 세트에 의존했습니다. 다른 방법은 첫 번째 방법이 실패할 때조차 얽힘을 감지할 수 있는 더 엄격한 계산을 포함했습니다.

결과는 혼합된 큐비트의 경우 기존의 더 단순한 방법이 종종 오해를 불러일으킬 수 있다는 것을 보여주었습니다. 여러 사례에서, 단순한 검증 방식은 큐비트와 환경이 얽혀 있지 않다고 나타냈으나, 더 엄격한 계산법은 그들이 얽혀 있음을 보여주었습니다. 이러한 차이는 얽힘의 양이 적을 때 특히 두드러졌습니다. 예를 들어, 몇 개의 핵 스핀을 포함한 시뮬레이션에서, 단순한 방법은 시스템이 안전하고 분리되어 있다고 제안했지만, 엄격한 방법은 얽힘이 실제로 반복적으로 탄생하고 죽고 있음을 드러냈습니다. 연구진은 단일 환경 스핀에 대해서는 시스템이 어느 정도 예측 가능하게 행동하지만, 환경에 스핀을 추가할수록 단순한 검증 방식이 점점 더 신뢰할 수 없게 된다는 것을 발견했습니다. 다섯 개의 환경 스핀이 있는 특정 사례의 경우, 단순한 방법은 얽힘을 거의 포착하지 못하고 아주 짧은 시간 동안만 표시한 반면, 엄격한 방법은 초기 지연 이후 얽힘이 지속적으로 존재함을 보여주었습니다.

연구는 기존의 얽힘 감지 기준이 여전히 경고 신호로서 유용하기는 하지만, 더 이상 완전한 지침은 아니라고 결론짓습니다. 만약 그 기준이 얽힘이 존재한다고 나타낸다면, 그것은 확실히 존재하는 것입니다. 그러나 만약 그 기준이 시스템이 안전하다고 말한다면, 그것은 여전히 얽혀 있을 수 있습니다. 이는 대부분의 현재 양자 장치의 실체인 혼합된 큐비트에 대해, 과학자들이 전체적인 그림을 이해하기 위해 예전의 지름길에 의존할 수 없음을 의미합니다. 과학자들은 더 강력한 도구를 사용하여 양자 정보가 환경으로 새어 나가는 미묘하고 갑작스러우며 종종 숨겨진 방식들을 관찰해야 합니다. 이 연구는 신뢰할 수 있는 양자 컴퓨터를 구축하는 길은, 양자 세계가 이전보다 훨씬 덜 예측 가능하고 훨씬 더 역동적으로 행동하는 혼합 상태에 대한 더 깊은 이해을 필요로 한다는 점을 강조합니다.