연구원들은 새로운 유형의 양자 컴퓨터를 향한 단계에서 포논을 '분할'합니다.

2023년 6월 8일

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시카고 대학교

우리가 좋아하는 노래를 들을 때 음악의 연속적인 파동처럼 들리는 소리는 실제로 포논이라는 작은 양자 입자 묶음으로 전송됩니다.

양자역학 법칙에서는 양자 입자가 근본적으로 분할 불가능하므로 분할할 수 없다고 주장하지만 시카고 대학교 프리츠커 분자 공학 대학(PME)의 연구원들은 포논을 분할하려고 할 때 어떤 일이 발생하는지 탐구하고 있습니다.

두 가지 실험(이런 종류의 첫 번째 실험)에서 Andrew Cleland 교수가 이끄는 팀은 음향 빔 스플리터라는 장치를 사용하여 포논을 "분할"하여 양자 특성을 입증했습니다. 빔 스플리터를 사용하여 하나의 포논에 대한 특별한 양자 중첩 상태를 유도하고 두 포논 사이에 간섭을 생성할 수 있음을 보여줌으로써 연구팀은 새로운 종류의 양자 컴퓨터를 만들기 위한 첫 번째 중요한 단계를 수행했습니다.

이 결과는 사이언스(Science) 저널에 게재되었으며 프리츠커 분자 공학(Pritzker Molecular Engineering) 팀이 수년 동안 포논에 대해 획기적인 연구를 수행한 결과입니다.

실험에서 연구자들은 인간의 귀로 들을 수 있는 것보다 대략 백만 배 더 높은 음조를 가진 포논을 사용했습니다. 이전에 Cleland와 그의 팀은 단일 포논을 생성하고 감지하는 방법을 알아냈으며 두 개의 포논을 얽힌 최초의 팀이었습니다.

이러한 포논의 양자 능력을 입증하기 위해 Cleland의 대학원생 Hong Qiao를 포함한 팀은 사운드 빔을 반으로 나누고, 절반은 전송하고 나머지 절반은 소스로 다시 반사할 수 있는 빔 스플리터를 만들었습니다. 광자의 양자 능력을 입증하는 데 사용되었습니다). 포논을 생성하고 감지하는 2개의 큐비트를 포함한 전체 시스템은 극도로 낮은 온도에서 작동하며 물질(이 경우 리튬 니오베이트) 표면을 이동하는 개별 표면 탄성파 포논을 사용합니다.

그러나 양자 물리학에서는 단일 포논이 분할될 수 없다고 말합니다. 따라서 팀이 단일 포논을 빔 스플리터로 보냈을 때 분할하는 대신 포논이 동시에 반사되고 전송되는 상태인 양자 중첩 상태로 들어갔습니다. 포논을 관찰(측정)하면 이 양자 상태가 두 출력 중 하나로 붕괴됩니다.

팀은 두 큐비트에서 포논을 캡처하여 중첩 상태를 유지하는 방법을 찾았습니다. 큐비트는 양자 컴퓨팅의 기본 정보 단위입니다. 단 하나의 큐비트만이 실제로 포논을 포착하지만 연구자들은 측정 후까지 어떤 큐비트를 알 수 없습니다. 즉, 양자 중첩이 포논에서 두 큐비트로 전달됩니다. 연구원들은 이 2큐비트 중첩을 측정하여 "빔 스플리터가 양자 얽힌 상태를 생성하고 있다는 완벽한 표준 증거"를 산출했다고 Cleland는 말했습니다.

두 번째 실험에서 연구팀은 1980년대에 광자로 처음 입증된 추가적인 기본 양자 효과를 보여주고 싶었습니다. 이제 Hong-Ou-Mandel 효과로 알려진 두 개의 동일한 광자가 반대 방향에서 빔 스플리터로 동시에 전송되면 중첩된 출력이 간섭하여 두 광자가 항상 하나 또는 다른 출력 방향으로 함께 이동하는 것으로 발견됩니다.

중요한 것은 팀이 포논을 사용하여 실험을 수행할 때에도 동일한 일이 일어났다는 것입니다. 중첩된 출력은 두 개의 검출기 큐비트 중 하나만 포논을 캡처하고 한 방향으로는 진행하지 않고 다른 방향으로는 캡처하지 않음을 의미합니다. 큐비트는 두 개가 아닌 한 번에 하나의 포논만 캡처할 수 있지만 반대 방향에 배치된 큐비트는 포논을 "듣지" 못하므로 두 포논이 같은 방향으로 가고 있다는 증거를 제공합니다. 이 현상을 2포논 간섭이라고 합니다.