| 세계 최초로 초저온 원자 시스템에서의 애니온 여기 관측 | ||
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 최근 중국과학원 원사 겸 중국과학기술대학 판젠웨이(潘建偉) 교수가 이끄는 연구팀이 세계 최초로 양자제어 방법을 통해 초저온 원자(ultracold atom) 시스템에서 위상적 양자 물질상태의 준입자—애니온을 발견하였다. 또한 두 가지 유형 애니온 간 교환 및 편성에 대한 능동 제어를 통해 애니온의 분수 통계 특성을 입증함으로써 위상 양자 컴퓨팅(topological quantum computing) 구현을 위한 중요한 계기를 마련하였다. 해당 연구 성과는 최근 국제저명학술지 'Nature Physics'에 온라인으로 게재되었다. 물질세계를 구성하는 기본입자는 일반적으로 자체 보유 스핀에 따라 두 가지 유형으로 분류되는데 각각 스핀이 정수인 보손(광자 등)과 스핀이 반정수인 페르미온(전자 등)이다. 하지만 1977년에 노르웨이 과학자 Leinaas와 Myrheim는 2차원 공간에 일종의 입자가 존재하는데 그 거동은 보즈 통계(Bose statistics)와 페르미 통계 사이의 새로운 분수 통계를 따른다는 놀라운 이론을 제안하였다. 이런 유형의 야릇한 입자(strange particle)로 구성된 물리 시스템의 파동함수는 두 입자가 좌표를 교환하는 상황에서 대칭 또는 반대칭성을 나타내지 않을 뿐만 아니라 하나의 임의의 위상인자(phase factor)를 획득한다. 이에 근거하여 2004년 노벨물리상 수상자인 미국 물리학자 Wilczek는 이런 유형의 준입자(Quasi-particle)를 애니온(Anyon)으로 명명하였다. 애니온 이론이 제안되어 얼마 지나지 않아 실험에서 그 종적이 드러났다. 1982년에 중국계 미국인 과학자 추이치(崔琦) 등은 2차원 전자가스에서 분수양자홀효과(Fractional Quantum Hall Effect)를 발견하여 1998년 노벨물리상을 수상하였다. 그 후 또 다른 연구팀이 일련의 실험을 통해 애니온이 분수전하(fractional charge)의 특성을 보유하고 있음을 관측하였다. 아울러 이러한 분수의 크기는 재료의 위상적 성질과 관련된다는 것을 발견하였는데 재료의 위상적 성질이 다름에 따라 형성되는 분수 위상적 상(topological phase)도 따라서 변화하였다. 하지만 직접적인 실험으로 애니온 교환시 형성되는 위상적 상을 관측하고 나아가 그 분수 통계 특성을 검증하는 것은 줄곧 어려운 실험 과제로 남아있었다. 1997년 애니온의 기본 물리성질 연구에 한창 열을 올리고 있을 당시 란다우이론물리연구소 연구원이며 2016년 기초과학혁신상 수상자인 Kitaev는 담대한 아이디어를 제안하였다. 즉, 위상재료를 큐비트로 이용하여 물리적 차원에서 결어긋남(Decoherence)를 억제함으로써 큐비트를 보호하는 한편, 재료의 애니온을 제어하여 양자 컴퓨팅을 수행한다는 것이다. Kitaev는 계속하여 애니온 편성에 기반한 위상 양자 컴퓨팅 이론을 발전시켜 양자물리학자의 관심을 불러일으켰다. 심층적인 이론연구에 따르면 위상 양자 컴퓨팅의 고장허용 능력은 기존에 가장 우수한 오류정정코드 기반의 양자 컴퓨팅에 비해 3개 수량급 향상된 약 1%에 도달하였다. 이 같은 고장 허용률은 현재 실험기술이 미칠 수 있는 수준으로서 과학자들의 양자 컴퓨터 개발 열정을 불러일으켰다. 판젠웨이 연구팀은 10년 전부터 위상 양자 컴퓨팅에 관한 실험 연구를 시작하여 6광자 얽힘상태를 이용한 애니온 교환의 분수 통계 특성 시뮬레이션[Phys. Rev. Lett. 102, 030502 (2009)] 및 8광자 얽힘상태를 이용한 위상적 양자 오류정정코드 구축[Nature 482, 489 (2012)] 등 연구 성과를 거두었다. 상기 실험은 광자 간 상호작용이 존재하지 않기에 Kitaev 모델의 위상적 물질상태를 형성하지 못했다. 따라서 물리적 차원의 위상 보호 능력을 구비하지 못했다. Kitaev 모델이 기술한 위상적 물질상태를 실험으로 구현하고 관련 애니온 통계를 관측할 수 있을 지가 양자정보과학 분야에서 시급히 해결해야 할 중요 문제이다. 상기 문제를 해결하기 위해 연구팀은 새로운 실험 시스템을 혁신적으로 구축하였고 또한 독특한 양자제어 기술을 개발하였다. Kitaev 모델에 대응하는 위상적 물질상태의 입자 간 상호작용은 4체 상호작용이지만 자연계에 존재하는 물질내부 입자의 상호작용은 주로 2체 상호작용이므로 그 어떤 물질에서도 4체 상호작용을 관측한 바 없다. 연구팀은 인공 양자 결정 구축 방법으로 이처럼 특수한 입자 간 상호작용을 구현하였다. 또한 스핀에 의존하는 초격자 시스템을 개발하여 초저온 원자에 대한 가둠과 제어를 달성하였다. 그리고 격자 내에서 광학 분극 퍼텐셜을 교묘하게 이용하여 유효 자기장 기울기를 형성하여 격자에 존재하는 2체 상호작용을 억제함으로써 4체 상호작용을 돌출시킴과 동시에 4체 상호작용이 해당 물리시스템을 주도하는 주요 상호작용으로 되게끔 하였다. 이로써 광학격자에서 약 800개 초저온 원자를 성공적으로 제어함과 동시에 약 200개 4원자 스핀 얽힘상태를 형성하였다. 연구팀은 격자 내 초저온 원자의 동역학적 거동을 관측하기 위해 고해상도 원위치 광흡수 이미징 기술을 개발하여 최초로 4체 고리 교환 상호작용을 관측하였고 또한 해당 상호작용에 대한 양자제어 능력을 재현하였다. 연구팀은 더 나아가 Kitaev 모델의 가장 기본적 요소인 해밀토니안을 구축하였고 마이크로파 반전 원자 스핀 방법을 통해 애니온 간 편성·교환 과정을 구현하였다. 연구팀은 최초로 광학격자 시스템에서 애니온 교환시 형성되는 분수 위상적 상을 직접 관측하였다. 이는 Kitaev 이론 모델이 제안된 20년간 동 시스템 내 애니온 분수 통계 특성과 관련한 가장 직접적인 실험적 입증이다. 해당 연구 성과는 애니온의 위상적 성질과 관련한 심층적인 연구를 위해 새로운 실험 플랫폼과 수단을 제공하였고 위상 양자 컴퓨팅 및 격자 게이지장 양자 시뮬레이션 분야의 연구 진전을 촉진시킬 전망이다. 양자정보 분야의 국제저명학자이며 2013년 울프물리학상 수상자인 Zoller 등은 해당 연구와 관련하여 '저온 원자를 사용하여 최소 Kitaev toric-code 해밀토니안을 구현하였고 또한, 해당 시스템으로 애니온 분수 통계 특성을 구현한 것은 위상적 상이 존재한다는 명백한 증거이다'고 높이 평가하였다. 타이틀 그림: 광학격자에서의 원자 스핀 얽힘상태 설명도 그림: 애니온 편성 설명도 정보출처 : http://www.cas.cn/syky/201709/t20170913_4614259.shtml |
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