독일 팀이 세 가지 양자 물리학 기록을 깨뜨렸습니다. 거대 원자가 차세대 양자 컴퓨터 개발을 촉진할 수 있습니다.

요약:

독일 슈투트가르트대학교 제6물리연구소 연구팀은 '원형 리드베리 원자'라고 불리는 특수 양자계에서 원자 수명, 원자 크기, 레이저 트랩 내 체류 시간 등 세 가지 세계 기록을 동시에 세웠다고 발표했습니다. 연구원들은 이 획기적인 발전이 고성능 양자 시뮬레이터 개발을 촉진하고 향후 더욱 강력한 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 기반을 마련할 것으로 기대하고 있습니다.

양자 시뮬레이터는 통제된 환경에서 복잡한 양자 시스템의 동작을 재현할 수 있으며 새로운 양자 현상을 탐구하고 양자 컴퓨팅 기술을 검증하는 데 중요한 플랫폼입니다. Rydberg 원자는 오랫동안 양자 시뮬레이션 및 양자 컴퓨팅 분야에서 유망한 후보 단위로 여겨져 왔습니다. 그러나 그들은 주변 환경에 극도로 민감하며 매우 짧은 시간 동안만 안정을 유지할 수 있는 경우가 많습니다. 이는 관련 기술 개발을 제한하는 주요 장애물 중 하나가 되기도 했습니다.

리드버그 원자의 안정성을 향상시키는 것은 고성능 양자 시뮬레이터 개발에 있어 언제나 핵심 과제였다고 연구팀장인 틸만 파우(Tilman Pfau)는 말했다. 연구팀은 원자 안정성 시간을 이전 수준보다 20배까지 높이는 데 성공하여 후속 양자 기술 응용에 더 유리한 조건을 만들었습니다.

소위 리드버그 원자(Rydberg 원자)는 전자가 핵에서 멀어지는 고에너지 궤도로 여기되는 원자 구조를 말합니다. 전자와 핵 사이의 거리가 크게 증가하기 때문에 이러한 원자의 크기는 일반 원자의 수천 배에 달할 수 있습니다. 크기가 클수록 더 먼 거리에 걸쳐 이웃 원자와 양자 상호 작용이 가능하며, 이는 양자 시스템을 구축하고 제어하는 ​​데 중요한 특성입니다.

연구자들에 따르면 리드버그 원자 사이의 상호작용 거리는 인간 머리카락 굵기의 약 10분의 1에 해당하는 약 5미크론에 달할 수 있다고 합니다. 일상적인 규모에서는 아직 극히 작지만 원자 세계에서는 이미 꽤 멀리 떨어져 있습니다. 이것이 중성 원자 양자 기술이 Rydberg 원자를 선호하는 이유 중 하나입니다. 이러한 유형의 기술은 레이저 빔으로 대전되지 않은 원자를 가두어 조작함으로써 양자 정보 처리를 가능하게 합니다.

이번 팀의 연구 대상은 원형 리드버그 원자입니다. 이 상태에서 여기된 전자는 핵 주위의 거의 원형 궤도를 따라 움직입니다. 이번 실험에서 연구진은 일반 원자의 전자 궤도보다 약 10,000배 더 큰 직경 약 1.1 마이크론의 전자 궤도를 구축하는 데 성공했습니다.

이 목표를 달성하기 위해 팀은 환경에서 흑체 복사 간섭을 억제하여 실온에서 매우 안정적인 거대 원자를 생성할 수 있는 특별한 실험 플랫폼을 개발했습니다. 과거에는 유사한 실험을 하기 위해서는 비용이 많이 들고 복잡한 초저온 환경이 필요한 경우가 많았으나, 이러한 성과는 보다 온화한 조건에서 달성되어 기술의 실용성을 더욱 향상시켰습니다.

실험 동안 연구원들은 세 가지 국제 기록을 성공적으로 세웠습니다. 첫째, 그들은 단일 둥근 Rydberg 원자에 대해 기록된 가장 긴 수명을 측정했습니다. 여기된 전자가 안정적인 원형 궤도를 따라 이동하도록 제어함으로써 원자는 11밀리초 동안 안정적인 상태를 유지합니다. 이는 자유 공간에서 이전의 유사한 상태보다 20배 이상 높은 수치입니다.

두 번째로, 연구팀은 전자 궤도가 약 1.1 마이크론에 도달하는 제어 가능한 최대 규모의 원형 리드버그 원자를 만들어 관련 분야에서 새로운 기록을 세웠습니다.

세 번째 기록은 레이저 광학 핀셋으로 원자를 포착한 시점에서 나온 것입니다. 연구원들은 레이저 빔을 사용하여 이 거대한 원자를 133밀리초 동안 트랩에 성공적으로 유지했으며, 또한 새로운 세계 기록을 세웠습니다.

연구원들은 둥근 리드베리 원자가 수명이 더 길 뿐만 아니라 외부 섭동에 더 안정적이면서도 리드베리 원자의 강력한 상호작용이라는 중요한 이점을 여전히 유지한다는 점을 지적했습니다. 이러한 특성으로 인해 미래의 양자 시뮬레이터 및 양자 컴퓨팅 플랫폼에 이상적인 후보가 됩니다.

양자 컴퓨팅 연구가 지속적으로 발전함에 따라 업계에서는 일반적으로 미래의 실용적인 양자 장치가 높은 안정성, 낮은 오류율, 강력한 확장성을 갖춰야 한다고 믿고 있습니다. 슈투트가르트 대학이 달성한 결과는 원형 리드베리 원자가 실온에서 장기간 안정적인 제어를 달성할 수 있음을 처음으로 입증했으며, 이는 양자 연산에서 오류 누적 문제를 크게 줄일 것으로 예상됩니다.

연구팀은 다음 단계는 여러 개의 원형 리드버그 원자로 구성된 프로그래밍 가능한 양자 시스템을 구축하여 양자 시뮬레이션 및 양자 컴퓨팅에서 실제 적용 가능성을 더 탐구하는 것이라고 밝혔습니다. 이러한 '거대 원자'에 대한 제어 기술이 계속해서 성숙해짐에 따라 양자 컴퓨터는 더 높은 성능과 대규모 작동에 한 걸음 더 가까워질 수 있습니다.