양자의 교향곡

얽힘이란 멀리 떨어진 입자나 입자 그룹을 연결하여 하나를 없이는 다른 하나를 설명할 수 없게 하는 것으로, 현대 기술의 모습을 바꾸고 있는 양자 혁명의 핵심입니다.

얽힘은 매우 작은 입자에서 입증되었지만, 시카고 대학교 분자공학과(UChicago PME)의 프리츠커 스쿨 앤드류 클레랜드 교수 연구실의 새로운 연구는 큰 그림을 그리며 두 음향파 공진기 사이의 고충실도 얽힘을 입증했습니다.

해당 논문은 금요일에 Nature Communications 에 게재되었습니다.

"많은 연구 그룹이 매우, 매우 작은 물체를 단일 전자까지 얽힐 수 있다는 것을 보여주었습니다. 하지만 여기서 우리는 두 개의 거대한 물체 사이의 얽힘을 보여줄 수 있습니다." 공동 1저자인 밍한 초우는 말했습니다. 그는 시카고 대학교의 전 PME이자 물리학 박사 연구원이며 현재 Amazon Web Services Center of Quantum Computing에 재직 중입니다. "이 연구에서 우리가 보여준 두 번째 사항은 우리 플랫폼이 확장 가능하다는 것입니다. 큰 양자 프로세서를 만드는 것을 상상할 수 있다면, 우리 플랫폼은 그 안의 단위 셀과 같을 것입니다."

얽힘은 공진기를 구성하는 분자, 원자 또는 다른 입자 사이에 있는 것이 아니라 공진기를 차지하는 "포논" 사이에 있습니다. 이는 나노스케일의 기계적 진동으로, 이를 들을 만큼 작은 귀가 있다면 소리로 간주될 것입니다.

"포논은 소리의 양자 입자입니다." 클리랜드 연구실의 시카고대 PME 박사후 연구원인 공동 1저자 홍차오가 말했다. "포논은 기본 입자가 아닙니다. 아마도 수천 조 개의 입자가 함께 움직이는 집단 운동입니다. 이것은 단일 전자, 단일 원자, 단일 광자를 얽어매는 다른 양자 시스템과 비교하면 거시적입니다."

퀀텀 협주곡

이 집단적이고 소리와 같은 운동을 얽어매는 것은 오랫동안 Cleland의 연구 초점이었습니다. 그의 연구실은 단일 포논을 생성하고 감지하는 방법을 알아낸 최초의 연구실이었고 두 포논을 얽어매는 최초의 연구실이었습니다. UChicago PME에서 박사 학위를 취득하는 동안 Qiao는 후자의 획기적인 발견을 위한 연구팀에 있었고 Chou는 두 연구 모두에 참여했습니다.

최근 국방부는 클레랜드를 포논 기반 양자 컴퓨팅 연구를 추진하는 2024년 바네바 부시 교수 펠로우로 임명했습니다.

"전통적인 지혜는 양자 역학이 가장 작은 규모에서 물리학을 지배하는 반면 고전 물리학은 인간 규모를 지배한다는 것입니다." 클레랜드가 말했습니다. "하지만 거대한 물체를 얽어매어 집단 운동을 통해 얽어매는 우리의 능력은 그 경계를 넓힙니다. 에르빈 슈뢰딩거의 고양이가 존재하는 영역은 발전할수록 더 커집니다."

팀이 만든 장치는 두 개의 표면 음향파 공진기를 중심으로 하며, 각각은 자체 칩에 있고 자체 기계적 지지 구조가 있으며 각각 자체 초전도 큐비트에 연결되어 있습니다. 큐비트는 얽힌 포논 상태를 생성하고 감지하는 데 사용됩니다. 이 장치를 통해 Cleland 그룹의 연구자들은 물리적으로 분리되어 있고 높은 충실도로도 큰 공진기가 양자 얽힘을 이룰 수 있음을 보여주었습니다.

"이전에 사람들은 얽힘이 있다는 것을 증명했지만, 충실도는 제한적이었습니다."라고 Qiao는 말했습니다. "여기서 우리가 보여준 것은 한 단계 더 나아가 더 복잡한 얽힌 상태를 준비하고, 심지어 논리적 인코딩을 추가할 수도 있다는 것입니다."

다음 장애물은 시간으로, 양자 코히어런스를 증가시키기 위해 공진기의 수명을 연장하는 것입니다. 더 오래 지속되는 얽힘은 더 강력한 통신 또는 분산 양자 컴퓨팅을 허용할 것입니다. 이는 양자 네트워크를 구축하는 두 가지 주요 목표입니다.

"우리의 기계적 공진기는 비교적 수명이 짧아서 이 접근 방식에서 성능이 상당히 제한되었습니다."라고 Chou는 말했습니다. "다음 단계는 매우 명확합니다. 우리는 기계적 공진기 수명을 개선하려고 노력할 것입니다."

이 그룹은 공진기 수명을 현재 약 300나노초에서 100마이크로초 이상으로 늘리기를 바라고 있습니다. 엄청난 것처럼 들릴지 모르지만, 이 300배 이상의 증가를 달성하기 위한 기존 전략이 여러 가지 있다고 Chou는 말했습니다.

"양자 음향학에는 이미 그렇게 긴 수명을 달성할 수 있는 다양한 장치 형상이나 다양한 접근 방식이 있지만, 실험을 단순화하기 위해 이 초기 연구에서는 사용하지 않았습니다."라고 Chou는 말했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/02/250210153912.htm