Caltech, 양자 시뮬레이터로 등각장이론 에너지 스펙트럼 첫 실험 검증

보편성과 등각장이론: 왜 지금인가

물질이 상전이를 겪는 순간, 서로 전혀 다른 재료들이 동일한 수학적 법칙을 따르는 현상을 물리학에서는 '보편성(universality)'이라 부른다. 이 보편성을 기술하는 핵심 이론 체계가 등각장이론(conformal field theory, CFT)이다. CFT는 온도가 아닌 양자 효과에 의해 구동되는 상전이, 즉 절대영도 근방에서 발생하는 양자 임계점 현상을 정밀하게 기술한다. 해당 임계점에 놓인 양자계는 레이저로 자극하면 사다리 형태의 불연속 에너지 준위 계단을 보이는데, 이 준위들의 간격 비율이 CFT의 핵심 예측값이다. 지난 40년간 이론가들은 이 비율을 계산해왔지만, 실험으로 직접 확인한 사례는 없었다.

실험 설계: 광학 핀셋과 다체 변조 분광법

Caltech Manuel Endres 교수 실험팀과 Jason Alicea 교수 이론팀은 파리-사클레 대학교, 뮌헨 공과대학교 이론가들과 협력해 실험을 설계했다. 연구진은 광학 핀셋(optical tweezer) 배열로 스트론튬 원자를 일렬로 포획한 뒤, 별도 레이저로 원자를 리드베르크 상태(Rydberg state)로 들뜨게 했다. 리드베르크 상태에서는 인접 원자 간 상호작용이 크게 강화되어 원자 사슬 전체가 단일 다체(many-body) 계처럼 거동한다. 연구팀은 이 사슬을 양자 임계점에 정확히 배치한 후, 이번 연구를 위해 새롭게 개발한 '다체 변조 분광법(many-body modulation spectroscopy)'을 적용했다. 해당 기법은 레이저 세기를 특정 주파수로 미세하게 변조하면서 원자들의 반응 세기를 주파수별로 기록하는 방식이다. 와인 잔 테두리를 젖은 손가락으로 문질러 공명음을 찾는 원리와 유사하다.

실험 결과: 두 CFT 모형의 스펙트럼 확인

35개 원자 사슬에서 얻은 에너지 스펙트럼을 크기로 재척도화하면 아이징 CFT가 예측한 단일 보편 곡선 위로 수렴했다. 이어 레이저 조건을 조정해 삼중임계점에 진입시킨 뒤 에너지 사다리 하단 준위들을 측정했고, 이 역시 삼중임계점 아이징 CFT가 예측한 상이한 비율과 일치했다. 원자 배열에서는 각 원자를 개별 주소 지정(individual addressing)할 수 있다는 장점을 활용해 들뜸을 대칭성에 따라 분류함으로써 첫 측정에서 드러나지 않았던 두 번째 에너지 계열도 추출했다. 또한 사슬 양 끝 원자의 상태를 변경하는 방식으로 경계 조건을 달리했을 때, 삼중임계점 아이징 이론이 예측하는 서로 다른 에너지 사다리 패턴이 각각 재현됐다.

의미와 한계: 고전 컴퓨터가 닿지 못하는 영역으로

이번 실험은 양자컴퓨팅용으로 개발된 중성 원자 플랫폼 기술이 기초물리학 탐구 도구로도 활용될 수 있음을 보여준다. 실제로 Endres 연구실의 관련 플랫폼은 최근 단일 배열에 6,100개 원자를 포획하는 성과를 거뒀다. 다만 이번 실험 자체는 최대 35개 원자 사슬에 한정되며, 1차원 계에 집중했다는 점에서 물리적 스케일의 제한이 있다. 연구팀은 다음 단계로 원자를 격자(grid) 형태로 배치하는 2차원 시스템으로 기법을 확장할 계획이다. 2차원 CFT는 1차원에 비해 이론적 이해가 부족하고, 계산 결과를 고전 컴퓨터로 검증하기 어려운 영역도 존재한다. 연구비는 미국 에너지부, 국립과학재단, 육군연구소, DARPA, 공군과학연구소, 고든·베티 무어 재단, 독일연구협회(DFG) 등에서 지원됐다.