푸저우대 연구진, 환경 큐비트 1→8개 확장으로 고양이 상태 결어긋남 비가역성 실험 확인

고양이 상태와 결어긋남의 기초

양자 중첩 상태에 있는 계는 각 성분 사이에 간섭이 발생하며, 이 간섭이 관측 확률에 고전적 혼합과 구별되는 흔적을 남긴다. 그런데 계가 주변 환경과 상호작용하면 환경 자유도에 구별 정보가 축적되면서 간섭이 점차 지워진다. 이것이 결어긋남이다. 환경이 충분히 작거나 단순하면 정보가 다시 계로 흘러 들어와 간섭이 일시적으로 부활할 수 있다. 이 가역성이 어떤 조건에서 사라지는지는 양자컴퓨터와 정밀 측정 모두에서 핵심 문제다.

실험 설계: 초전도 공진기와 인공 환경

연구팀은 초전도 공진기에 마이크로파 장을 가두고 빈 상태와 빛이 담긴 상태의 중첩인 고양이 상태를 준비했다. 고양이 상태라는 이름은 양자 사건의 결과에 따라 살거나 죽은 상태가 중첩된다는 슈뢰딩거의 사고 실험에서 유래한다. 환경으로는 제어 가능한 회로 소자로 구현된 큐비트를 활용했다. 마이크로파 장의 양자 상태는 위그너 맵으로 재구성됐으며, 맵 속 양·음 줄무늬가 간섭의 존재 여부를 가시적으로 드러냈다.

큐비트 1개: 가역적 결어긋남

환경을 큐비트 1개로 구성했을 때, 상호작용이 시작된 후 위그너 맵의 줄무늬는 서서히 흐려졌다. 그러나 약 38나노초 시점에서 큐비트가 한 번의 진동 주기를 거의 완료하면서 간섭이 뚜렷하게 되살아났다. 이 경우 별도의 소거 조작 없이도 환경의 구별 기록이 자연스럽게 희석될 수 있음을 시사한다.

큐비트 8개: 비가역적 결어긋남으로의 전환

연구팀은 환경 큐비트를 2개, 4개 순으로 늘려 최종 8개까지 확장했다. 두 중첩 성분이 얼마나 잘 구별되는지를 나타내는 구별가능도 지표는 0(구별 불가)에서 1(완전 구별) 사이로 정의됐다. 8큐비트 조건에서 이 값은 상호작용 개시 약 15나노초 후 1에 근접했고, 측정이 이어진 80나노초 동안 높은 수준을 유지했다. 같은 조건의 위그너 맵에서는 0~30나노초 구간에 간섭이 사라진 뒤 부활하지 않았다. 큐비트가 늘어날수록 각각 다른 속도로 마이크로파 장과 에너지를 교환하기 때문에, 이들이 동시에 구별 정보를 잃는 방향으로 복귀하는 일이 통계적으로 극히 드물어진다는 것이 연구팀의 해석이다.

의미와 한계

이번 실험은 결어긋남의 가역·비가역 전이를 통제된 환경에서 단계적으로 추적했다는 점에서 방법론적 의의가 있다. 고양이 상태는 양자 오류 정정 코드와 광학 간섭계 기반 정밀 측정 양쪽에서 주목받지만, 결어긋남에 취약하다는 문제가 공통 과제다. 다만 이번 연구는 관측 기간(최대 80나노초) 내에서 비가역성을 확인한 것이지, 충분히 긴 시간이 지나도 간섭이 절대 돌아오지 않는다는 것을 증명하지는 않았다. 또한 결어긋남을 억제하거나 역전시키는 구체적 방법을 제시하지도 않았다. 연구팀이 구축한 플랫폼은 향후 이러한 문제를 정량적으로 연구하는 시험대로 활용될 수 있을 것으로 보인다.