Bose-Einstein condensation and collective Bogoliubov excitations of microwave photons in superconducting quantum electrodynamics circuits

광자라고 불리는 아주 작은 빛의 입자들이 보통 콘서트장의 혼란스러운 인파처럼 서로 부딪히고 모든 방향으로 흩어지며 일제히 움직이기를 거부하는 세상을 상상해 보십시오. 대부분의 상황에서 빛은 궁극적인 개인주의자입니다. 하지만 양자 물리학의 기묘하고 초저온인 영역에서는 상황이 달라집니다. 과학자들은 특정 입자들을 충분히 차갑고 차분하게 만들면, 그들이 모두 "발맞추어 행진"하여 하나의 거대한 양자 파동으로 합쳐질 수 있다는 사실을 오래전부터 알고 있었습니다. 이 현상을 보스-아인슈타인 응축(Bose-Einstein condensation, BEC)이라고 합니다. 이것을 마치 물고기 떼가 갑자기 개별적으로 헤엄치는 것을 멈추고, 하나의 거대한 움직이는 실체로서 하나의 거대한, 반짝이는 '슈퍼 물고기'가 되기로 결정한 것과 같다고 생각하십시오. 이것은 원자나 심지어 유리에 갇힌 특정 유형의 빛에서도 관찰되어 왔지만, 한 가지 큰 의문이 남아 있었습니다. 과연 우리가 와이파이와 휴대폰을 구동하는 보이지 않는 파동인 마이크로파 광자를 아주 작은 전자 회로 내부에서 이렇게 만들 수 있을까 하는 점입니다. 만약 가능하다면, 이는 새로운 종류의 초정밀 기술과 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 놀이터로 가는 문을 열어줄 것입니다.

이 논문은 바로 그 방향을 향한 돌파구를 보고합니다. 연구진은 초전도 회로(저항 없이 전기를 전도하는 회로)를 사용하여 초저온의 전자 놀이터를 구축하였고, 그 안에 플럭스 큐비트(flux qubits)라고 알려진 10개의 작은 양자 비트 네트워크를 채워 넣었습니다. 연구진은 이 시스템에 강력한 마이크로파 신호를 펌프처럼 가하여, 엄청난 수의 마이크로파 광자를 단일 모드로 몰아넣었습니다. 그들이 발견한 것은 이 광자들이 단순히 쌓이기만 하는 것이 아니라, 광자와 큐비트가 하나의 하이브리드 단위로서 함께 춤을 추는 집단적 상태인 보스-아인슈타인 응축체처럼 행동하기 시작했다는 것입니다.

가장 흥ientes한 발견은 두 번째의 더 약한 신호로 이 "슈퍼 물고리"를 건드렸을 때 일어나는 현상입니다. 단순히 튕겨 나가는 대신, 시스템은 "보골리보프 들뜸(Bogoliubov excitation)"이라는 특정한 종류의 잔물결로 반응했습니다. 이것은 마치 잔잔한 연못에 조약돌을 던지는 것과 같습니다. 보통은 단순한 물보라가 일어나지만, 여기의 연못은 매우 특별해서 그 물보라가 물의 숨겨진 구조를 드러내는 복잡하고 동기화된 파형을 만들어냅니다. 연구진은 이러한 잔물결과 함께, 시스템이 노브를 돌리는 방식에 따라 두 가지 다른 위치에 고정되는 스위치처럼 작동하는 "쌍안정성(bistability)" 현상을 명확하게 관찰했습니다. 높은 정밀도로 측정된 이 동작은 마이크로파 광자가 응축체를 형성하고 이러한 집단적 들뜸을 지원할 수 있다는 첫 번째 실험적 증거를 제공합니다.

이것이 어떻게 작동하는지 이해하려면, 장치를 첨단 악기로 상상해 보십시오. 이 장치는 두 개의 주요 부분인 "T-공진기"와 "R-공진기"로 구성되어 있는데, 이는 마치 초전도 금속으로 만든 두 개의 소리굽쇠와 같습니다. 이들 사이에는 주인공인 10개의 초전도 플럭스 큐비트 네트워크가 자리 잡고 있습니다. 이 큐비트들은 조셉슨 접합(양자 터널링을 허용하는 장벽)에 의해 차단된 미세한 와이어 루프로, 기타의 줄처럼 작용합니다. 연구진은 에너지를 주입하기 위해 "R-공진기"를 마이크로파 발생기에 연결했고, 출력을 듣기 위해 "T-공진기"를 검출기에 연결했습니다.

연구진이 약 7.7 GHz의 강한 마이크로파 톤으로 시스템을 펌핑했을 때, 극적인 일이 일어났습니다. 펌프의 출력을 높임에 따라 공진기의 주파수는 단순히 약간 변하는 것이 아니라, 갑자기 더 낮은 주파수로 도약했습니다. 이 "적색 편이(red shift)"는 출력이 특정 임계값을 넘어서는 순간 급격히 발생했습니다. 더욱 매혹적인 것은 시스템이 "이력 현상(hysteresis)"을 보였다는 점입니다. 출력을 천천히 높이면 시스템이 어느 지점에서 새로운 상태로 도약하지만, 출력을 다시 낮추면 훨씬 더 낮은 수준에 도달할 때까지는 다시 도약하지 않습니다. 이는 문을 여는 데는 강하게 밀어야 하지만, 닫을 때는 쉽게 미끄러져 들어가는 문과 같습니다. 문의 상태는 당신이 어느 방향으로 밀고 있느냐에 달려 있습니다.

연구진 또한 "유령" 신호를 포착했습니다. 전송 데이터를 자세히 살펴보았을 때, 그들은 신호에서 이차적인 딥(dip)을 발견했는데, 이는 다른 주파수에서 나타나는 희미한 메아리였습니다. 이것이 그들이 "아이들러 모드(idler mode)"라고 부르는 것으로, 거울을 볼 때 거울 속 모습이 나타나는 것처럼 메인 신호와 함께 나타나는 파트너 파동입니다. 아이들러 모드의 존재는 보골리보프 들뜸의 핵심적인 지문이며, 광자들이 독립적인 입자로서 행동하는 것이 아니라 집단적이고 양자 역학적인 방식으로 서로 상호작용하고 있음을 확인시켜 줍니다.

이러한 기묘한 행동들을 설명하기 위해, 연구진은 초유체와 원자 응축체를 설명하는 데 주로 사용되는 유명한 공식인 그로스-피타예프스키 방정식(Gross-Pitaevskii equation)에 기반한 수학적 모델을 개발했습니다. 그러나 그들은 이를 대폭 수정해야 했습니다. 이 시스템에서 광자 사이의 "상호작용"은 직접적이지 않습니다. 대신, 광자들은 큐비트를 통해 서로 대화합니다. 광자의 수가 증가함에 따라, 그들은 큐비트의 에너지 준위를 변화시키며(AC 스타크 효과로 알려진 효과), 이는 다시 광자의 행동을 변화시킵니다. 이는 집단적 행동을 이끄는 피드백 루프를 생성합니다. $2\pi \times 25$ MHz의 결합 강도와 $2\pi \times 3.4$ MHz의 주파수 이동과 같은 파라미터를 포함한 그들의 모델은 실험 데이터와 거의 완벽하게 일치했습니다.

연구진은 또한 정적 자기장 0.489 Gauss를 가했을 때 어떤 일이 일어나는지 테스트했습니다. 자기장에 민감한 큐비트가 핵심 역할을 한다는 것을 확인하기 위해 자기장을 가했을 때, 도약을 유발하는 데 필요한 임계 전력이 변했습니다. 이는 자기장이 큐비트의 주파수를 이동시켜 집단적 상태를 만드는 데 필요한 에너지를 변화시켰음을 확인해 주었습니다.

요약하자면, 이 논문은 초전도 큐비트 네트워크를 마이크로파 공진기에 삽 삽입함으로써 마이크로파 광자가 보스-아인슈타인 응축체처럼 행동하는 상태를 만들 수 있음을 보여줍니다. 이것은 단순한 이론적 호기심이 아닙니다. 빛과 물질이 하나의 집단적 전체로 합쳐지는 실체적이고 측정 가능한 물질의 상태입니다. 보골리보프 들뜸과 이력적 스위칭 동작의 관찰은 이러한 시스템이 초정밀 검출기로 사용되거나 양자 정보 처리를 위한 구성 요소가 될 수 있음을 시사합니다. 연구진은 이 플랫폼이 다체(many-body) 광자 시스템을 설계할 수 있는 새로운 방법을 제공하며, 잠재적으로 양자 세계의 가장 미세한 속삭임을 감지하거나 우리가 이제 막 상상하기 시작한 방식으로 정보를 처리할 수 있는 장치로 이어질 수 있다고 제안합니다. 이 논문은 응축 자체의 물리학에 초점을 맞추고 있지만, 이러한 집단적 양자 상태를 실제 응용 분야를 위해 활용할 수 있는 미래 기술의 토대를 마련하고 있습니다.