[물리] 측정에서 살아남은 슈뢰딩거의 고양이

양자역학의 영원한 아이콘인 슈뢰딩거의 고양이가 도전을 받았다. 양자 시스템을 일정하지만 약하게 측정함으로써, 그 시스템을 파괴하지 않고 미묘한 양자 상태를 측정하는데 물리학자들이 성공했기 때문이다. 이것은 슈뢰딩거가 비유했던 고양이를 죽이지 않고 살짝 엿본 것과 같은 성과이다. 이번 성과는 양자 세계의 특이한 성질을 이용하는 양자 컴퓨터와 같은 시스템들을 더 쉽게 다룰 수 있게 할 것이다.

양자 물체는 동시에 여러 상태로 존재할 수 있는 기괴하지만 유용한 특성을 갖고 있으며, 이 현상은 중첩이라고 불린다. 물리학자 슈뢰딩거(Erwin Schrodinger)는 방사성 원자에 그 운명이 달려 있는 상자 속의 고양이를 가정함으로써 중첩의 야릇한 암시를 설명했다. 그 원자의 붕괴는 양자역학에 의해 지배되기 때문에 측정될 때에만 명확한 값을 가지므로, 고양이는 상자가 열릴 때까지는 어떻게든 죽어있으면서 동시에 살아있다는 것이다. 이론상 중첩을 이용하면 양자 컴퓨터는 정보를 양자 비트에 간직하면서 병렬적으로 계산을 수행할 수 있다. 보통의 비트와는 달리, 이러한 큐비트는 1이나 0의 값을 가지지 않지만 이 두 수가 섞여 있는 형태로 존재하며, 측정될 때에만 1이나 0이라는 명확한 값으로 정해진다.

그러나 단순히 큐비트들을 엿봄으로써 중첩을 파괴하는 이러한 능력으로 인해서, 이러한 특성에 의존하는 시스템은 망가지기 쉽다. 이것은 양자 컴퓨터 과학자가 되려는 사람들에게 방해물이 되었고, 그러한 사람들은 계산을 수행할 정도로 충분히 오랫동안 양자 상태들이 함께 유지되기를 원한다. 중첩을 파괴하지 않을 정도로 충분히 ‘점잖게’ 측정하는 것이 이론상 가능할 것이라는 것을 연구자들이 제안했었다. 비트가 1 또는 0인지의 여부보다는 덜 직접적인 무언가를 측정하는 것이 그 아이디어이며, 이것은 슈뢰딩거의 고양이를 흐릿한 안경을 통해 살펴보는 것과 동등한 것이다. 이러한 측정을 통해 고양이가 살아있거나 죽어있는지에 관한 정보의 ‘유력한’ 조각을 얻을 수는 없지만, 다른 특성들은 검출할 수는 있을 것이다.

그런데 이번에 UC버클리의 비제이(R. Vijay)와 동료들이 그와 같은 흐릿한 안경과 동등한 실용적인 대응물을 만들어냈다. “우리는 상자를 부분적으로만 연다”고 비제이는 말했다. 연구팀은 양자 컴퓨터에서 큐비트로 흔히 쓰이는 매우 작은 초전도 회로를 가지고 연구를 시작했다. 그들은 그 회로를 0과 1 사이에서 순환하도록 만들어 모든 가능한 혼합 상태에 반복적으로 도달하도록 함으로써 중첩상태로 만들었다. 그런 뒤에 연구팀은 이러한 진동의 주파수를 측정했다. 이것은 비트의 값이 임의의 순간에 1 또는 0인지를 측정하는 것보다는 본질적으로 더 약한 측정이므로, 큐비트가 1이나 0 사이에서 값들 선택하도록 강요하지 않으면서 측정하는 것이 가능할 것이라는 게 그들의 생각이었다. 하지만 이러한 측정에서도 문제는 생겼다.

비록 이러한 측정이 양자 중첩을 파괴하지 않을 정도로 충분히 온화했지만, 측정 때문에 진동 속도는 불규칙하게 바뀌었다. 연구팀은 이러한 변화를 예측할 수는 없었지만 매우 빠르게 측정을 수행할 수는 있었으며, 크기는 같지만 반대 방향의 변화를 시스템에 주입함으로써 큐비트의 주파수가 측정되지 않았더라면 가졌을 값으로 되돌아가도록 만들 수 있었다. 이러한 피드백은 심장박동조절기에서 일어나는 일과 비슷하다. 만약 시스템이 원하는 상태에서 너무 벗어나면, 그것이 일정한 심장박동이든 1과 0의 중첩이든 간에 그 시스템을 다시 바람직한 상태로 돌아가도록 살짝 밀 수 있다.

피드백을 이용하여 양자 시스템을 측정하는 아이디어를 제안한 것은 비제이 팀이 처음은 아니지만, 시스템이 유지될 정도로 충분히 약하게 측정하면 너무 작은 신호가 얻어져서 검출하고 교정할 수가 없었고, 더 강하게 측정하면 통제하기에는 너무나 큰 잡음이 시스템에 유입된다는 것이 과거의 제한 요인이었다. 비제이와 동료들은 신호를 오염시키지 않고 향상시킬 수 있는 새로운 종류의 증폭기를 사용했다. 전체 실험이 수행되는 동안 큐비트가 자신의 진동 상태를 유지했다는 것을 연구진은 발견했다. 그 시간은 약 100분의 1초 정도에 불과했지만, 중요하게도 이것은 큐비트가 측정 과정에서 살아남았다는 것을 의미한다는 것이다.

“이번 시연은 우리가 양자 오류제어를 구현할 수 있다는 점에서 거의 목표에 도달했음을 보여준다. 그러한 제어 능력은 양자 계산 과정에서 붕괴되려는 큐비트를 자동적으로 밀어서 큐비트의 중첩을 연장시키는데 이용될 수 있을 것”이라고 비제이는 말했다. “이번 결과가 완벽한 것은 아니지만, 수 마이크로초 이내에 예측하는 것이 완전한 불가능하다는 피드백을 사용하지 않았을 때의 결과와 비교하면, 큐비트 순환을 안정화시켰다는 것은 개별 큐비트의 피드백 제어 분야에서 큰 발전”이라고 호주 그리피스대(Griffith University)의 하워드 와이즈만(Howard Wiseman)은 말했다.

* 관련문헌 : Nature 10.1038/nature11505