초전도 큐비트로 포착한 임계 양자 상태의 단방향 전파 특성

앤더슨 국소화와 임계 상태 문제

1958년 물리학자 필립 앤더슨은 재료 내부의 불규칙성이나 무질서가 파동의 자유로운 전파를 억제할 수 있음을 이론적으로 기술했다. 이 현상은 '앤더슨 국소화'로 불리며, 이후 양자 시스템 연구의 핵심 개념으로 자리잡았다.

양자 시스템에서 파동 함수는 크게 세 가지 범주로 분류된다. 시스템 전체에 걸쳐 퍼지는 확장 상태, 좁은 공간에 갇히는 국소화 상태, 그리고 두 극단의 중간 어딘가에 위치하는 임계 상태가 그것이다. 임계 상태는 국소화도 확장도 아닌 중간적 성격 때문에, 유한 크기의 실험 시스템에서는 일반적인 확장 상태나 국소화 상태와 구분하기 어렵다는 근본적 난점이 있었다.

이론적 배경: 비공약 분포 영점 메커니즘

베이징대학교 류훙쥔 교수 연구팀은 수 년 전 유한 크기 스케일링 분석에 의존하지 않고 임계 상태를 특성화하는 새로운 이론 틀을 제안했다. 핵심 개념은 준주기(quasiperiodic) 시스템 내 홉핑 결합에서 비주기적으로 산재하는 영점, 즉 '비공약 분포 영점(incommensurately distributed zeros, IDZ)'이다. 이론에 따르면 IDZ가 존재할 때 임계 상태가 안정적으로 형성되며, 이 장벽 근처에서 파동 패킷은 한쪽으로만 우선 전파되는 비대칭 거동을 보인다.

그러나 이 이론은 이상화된 조건에서 정립됐으며, 보다 현실적인 양자 플랫폼에서 구현·검증되는 것은 여전히 열린 문제였다.

초전도 큐비트 시뮬레이터 실험 설계

실험 부분은 IQA·SUSTech의 Zhong 연구팀이 주도했다. 연구팀은 초전도 큐비트 양자 프로세서를 이용해 준주기 모자이크 모델을 구현하고, 큐비트 간 결합 세기와 개별 큐비트의 에너지값을 정밀하게 조정하면서 단일 양자 여기(excitation)가 시스템을 따라 시간에 따라 어떻게 전파되는지 추적했다.

연구팀은 양자 프로세서의 2차원 기하 구조를 활용해 제어된 장거리 결합을 도입하고, 이 결합이 강도에 따라 임계 상태에 미치는 영향도 함께 분석했다. 장거리 결합이 약할 때는 IDZ에 의해 보호되는 임계 상태가 유지됐으나, 결합이 강해져 홉핑 결합의 장벽을 사실상 소거하면 임계 상태가 소멸하고 시스템이 확장 위상으로 전환됐다.

단방향 전파: 임계 상태의 역학적 지표

이번 연구의 핵심 기여는 임계 양자 상태의 명확한 역학적 지표를 실험적으로 확인한 것이다. 파동 패킷을 IDZ에 해당하는 결합 근처에 준비하면, 에너지는 주로 장벽 한쪽으로만 전파되고 반대편으로는 거의 넘어가지 않는다. 이 단방향 전파 패턴은 관측된 현상이 유한 크기 효과나 단순한 느린 확산이 아니라, IDZ 메커니즘에 의해 지배되는 임계 거동임을 직접적으로 보여준다.

의미와 한계, 향후 전망

이번 연구는 앤더슨 국소화 이론의 이해를 심화시키고, 준주기 무질서 시스템에서 임계 상태를 실험적으로 식별하는 방법론을 구체화했다는 점에서 의미가 있다. 다만 실험은 단일 입자 수준에서 수행됐으며, 실제 양자 재료나 복잡한 다체 시스템에서의 검증은 별도의 연구가 필요하다.

연구팀은 향후 다중 상호작용 입자로 구성된 대규모 시스템에서 유사한 특성을 탐색할 계획이다. 아울러 결어긋남(decoherence), 인위적 잡음, 제어된 소산이 임계 상태에 미치는 영향을 연구해 열린 양자 시스템에서의 임계 현상으로 연구 범위를 확장할 예정이다.