[물리] 양자 역학적 상 전이의 새로운 통찰

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Rainer Blatt와 Peter Zoller가 이끄는 인스브루크 물리학자들이 양자 역학적 위상 전이의 본질에 대한 깊은 이해를 실험적으로 성취했다. 그들은 두 양자 역학 순서 간에 일어나는 새로운 유형의 전이에서, 그 둘 사이의 동적 과정을 최초로 시연했다. 이들의 연구 결과는 Nature Physics에 발표되었다.

“물이 끓으면, 그 분자는 수증기로 증발한다. 우리는 이러한 물질의 물리적 상태 변화를 위상 전이라고 부른다”고 인스부르크 대학(University of Innsbruck) 이론 물리학 연구소의 Sebastian Diehl이 설명했다. 마드리드 콤플루텐세 대학(Complutense University)의 실험 물리학 연구원이자 이론학자인 Markus Mueller는 이전에 결코 관찰되지 않았던 두 양자 역학 순서 간의 전이를 연구했다. 그는 인스부르크의 양자 물리학자들과 협력하여, 이 실험을 위해 새로운 장비를 사용했는데, 이는 양자 물리에서 가장 유망한 개발 중 하나로 현재 간주되고 있다. 이 양자 시뮬레이터는 작은 규모의 양자 컴퓨터를 기반으로 하고 있으며, 고전 컴퓨터가 효과적으로 수행할 수 없는 물리적 현상을 모사한다. “그러한 양자 시뮬레이터는 우리로 하여금 양자적 환경과 결합한 많은 다체 시스템에서의 양자 현상을 실험적으로 연구할 수 있게끔 해준다”고 실험 물리학자인 Philipp Schindler와 Thomas Monz가 말했다.

단지 몇 개의 갇힌 이온을 가지고, 과학자들은 복잡한 양자 역학 위상 전이의 물리적 과정을 모사했다. 이를 달성하기 위해서는, 고도의 정확성으로 이 입자들을 제어하고 조작할 수 있어야 한다. 인스부르크 대학의 실험 물리학자들은 이 분야에서 세계적 권위자들이다. “이 실험을 위하여, 우리는 최대 5개의 이온을 가지고, 프로그램 가능한 양자 시뮬레이터를 사용했다”고 Philipp Schindler가 말한다. 그들은 이들 입자 중 하나를 이 시스템과 고전적 환경을 결합하는 수단으로 사용했다. 다른 이온들은 양자 작업을 수행하는데 사용된다. “우리는 이를 열린 양자 시뮬레이터라고 부른다. 우리는 보통 이러한 결합을 억제한다. 왜냐하면, 이것이 시스템에서 깨지기 쉬운 양자 효과를 파괴하기 때문이다. 그러나 우리는 이 결합을 양자 역학 시스템에서 순서를 부여하기 위한 목적으로 사용했다”고 Schindler가 설명했다. “이렇게 특별한 실험을 위하여, 우리는 소산성 역학(dissipative dynamics)을 만들어, 멀리 떨어진 입자 간에 깨지기 쉬운 장거리 양자 역학 상관관계를 만드는 고전적 환경을 조작한다. 다음 단계로, 이 역학은 다른 상호 작용을 이용하여, 경쟁 관계를 설정하게 된다. 이는 양자 역학 질서를 만드는 역학을 방해한다. 이렇게 함으로써, 우리는 이러한 두 과정 사이에서 벌어지는 경쟁과 함께, 두 별개의 물질 순서 간에 전이가 어떻게 일어나는지를 정확하게 관찰할 수 있었다”고 이론 물리학자인 Sebastian Diehl이 말했다.

이 실험은 엄청난 정도의 정밀도를 요구하며, 물리적 과정을 정확하게 모사하기 위해서는 즉각적인 오류 수정이 필요하다. 상당한 자원의 간접 사용과 양자 컴퓨터 개발을 위해서는 포괄적인 오류 수정이 필요하기 때문에, 인스부르크의 물리학자들은 유망한 또 다른 대체 경로를 선택했다. 그들은 오류의 가장 중요한 원천이 시뮬레이션 중에 일어난다는 것을 발견했다. “오류를 줄이는 방법은 다른 실험을 위한 본보기가 될 것이라고 확신한다. 일반적인 양자 오류는 장기 목표로 남아 있지만, 우리는 이러한 유형의 오류 수정을 대형 시스템의 안정적인 양자 시뮬레이션을 위해 조만간 사용할 수 있으리라고 기대한다”고 Schindler가 말했다.

양자 역학적 위상 전이의 본질에 관한 실험 연구는 국제적으로 유일하다. 연구진의 발전된 실험 지식과 마드리드와 인스부르크 연구진의 긴밀한 협동 관계는 이론적 연구와 실험을 성공적으로 결합했다. “긴밀한 협력을 통한 이론과 실험 물리학자들 간의 결합, 그리고 인스부루크에서의 실험이 이를 가능케 했다. 그리고 다시 한 번 이 연구는 이전에 경험하지 못했던 물리의 세계로 우리를 이끌어 주었다”고 Rainer Blatt가 말했다. “다체 시스템의 물리 실험은 몇 갇힌 이온을 이용하여, 성공적으로 모사되었다. 이것은 분명 양자 시뮬레이션의 잠재력과 가능성을 보여주는 것”이라고 Peter Zoller가 말했다.

(그림) 물리학자들이 멀리 떨어진 입자 간에 깨지기 쉬운 장거리 양자 역학 상관관계를 이끄는 소산성 역학(dissipative dynamics)을 만드는 고전적 환경을 조작한다.