스탠퍼드 연구팀, 음향 양자도약 실시간 관측 최초 성공

100년 만에 완성된 관측의 퍼즐

양자도약은 양자계가 한 에너지 상태에서 다른 에너지 상태로 불연속적으로 전이하는 현상으로, 20세기 초부터 이론적으로 예측되어 왔다. 실험적으로는 1986년 이온 포획계에서, 2007년에는 광자(photon)에서 각각 확인됐다. 음향 분야에서 동일한 현상을 포착하는 작업은 이번 연구 이전까지 미완의 과제로 남아 있었다.

포논이란 무엇인가

빛의 최소 단위가 광자 하나인 데 반해, 음향의 양자 단위인 포논은 다수의 원자가 일제히 움직이는 집단적 진동 모드를 가리킨다. 일상 감각으로는 종소리처럼 진동이 서서히 감쇠하는 것처럼 보이지만, 양자 수준에서는 에너지가 불연속적인 계단 형태로 변화한다. 이번 연구는 이 불연속적 전이, 즉 에너지 상태 1에서 0으로의 도약을 개별 포논 단위에서 실시간으로 포착한 첫 사례다.

2밀리초가 만든 돌파구

연구팀이 사용한 기계 공진기는 현미경으로 볼 수 있는 크기로, 반도체 칩 제조 공정으로 제작 가능하다. 이 공진기는 약 2밀리초 동안 진동을 유지할 수 있는데, 이 수치를 일반 크기의 소리굽쇠에 비례 적용하면 수 시간 동안 울리는 수준에 해당한다. 긴 잔향(ringdown) 시간 덕분에 연구팀은 에너지 상태를 수백 회 반복 측정해 도약이 일어난 정확한 순간을 특정할 수 있었다.

초전도 큐비트와의 결합이 핵심

공동 제1저자인 Takuma Makihara와 Erik Szakiel은 측정 과정에서 양자 상태를 교란하지 않는다는 양자 공학의 핵심 난제를 해결하기 위해 공진기와 초전도 큐비트를 연동하는 방식을 고안했다. 큐비트가 전기적 검출기 역할을 맡아 공진기 내 포논의 에너지 상태를 2밀리초 진동 구간 내내 반복 판독함으로써 도약 시점을 기록하는 구조다. 두 서브시스템 모두 손상 없이 통합하는 공정 개발이 이 작업의 기술적 핵심이었다.

오류정정·센싱·스마트폰까지 이어지는 응용 가능성

이번 성과가 주목받는 이유는 기초 관측에 그치지 않기 때문이다. 양자컴퓨팅에서 양자도약은 오류를 유발하는 사건에 해당하는데, 발생 시점을 실시간으로 감지할 수 있다면 오류정정 체계를 실질적으로 구축하는 데 기여할 수 있다. 또한 공진기·큐비트 플랫폼은 초정밀 감지 도구로도 활용 가능하다. Safavi-Naeini 연구팀은 Caltech의 Michael Roukes 팀과 협력해 세포 내 단백질 검출에 이 플랫폼을 적용하는 연구를 진행 중이다. 스마트폰 등 음향 기반 일상 기기의 성능 향상 가능성도 연구팀은 언급했다.