Oxford대, 하이브리드 양자컴퓨터로 격자 게이지 이론 내 아하로노프-봄 효과 관측

아하로노프-봄 효과와 격자 게이지 이론

1959년 아하로노프(Yakir Aharonov)와 봄(David Bohm)이 예측한 이 효과는, 자기장이 실제로 존재하지 않는 영역을 통과하는 대전 입자가 자기 선속(flux)에 의해 측정 가능한 위상 변화를 획득하는 양자 현상으로, 이후 실제 전자 실험을 통해 검증된 바 있다. 물리학자들은 이 효과가 격자 게이지 이론(lattice gauge theory)이라는 새로운 맥락에서도 나타나는지 확인하고자 했다. 격자 게이지 이론은 입자·고에너지 물리학의 핵심 수학적 틀로, 물질은 격자 점에, 게이지 장은 그 점들을 잇는 연결선에 자리한다. 시스템 규모가 커질수록 고전 컴퓨터로의 계산 비용이 급증해, 양자 시뮬레이션이 유력한 대안으로 주목받는다.

트랩 이온 기반 하이브리드 시스템 설계

주저자 Sebastian Saner 박사, Oana Bazavan 박사를 비롯한 Oxford 팀은 2022년부터 마드리드 소재 Instituto de Física Teórica의 Alejandro Bermudez 박사와 공동으로 실험을 개발했다. 핵심 구성은 같은 트랩 이온을 두 가지 방식으로 활용하는 것이었다. 이온의 내부 상태에 큐비트를 인코딩해 게이지 장을 표현하고, 같은 이온의 진동 모드인 양자진동자로는 물질을 표현했다. 연구팀은 물질점 두 개를 나타내는 진동자 한 쌍과 그 사이를 잇는 게이지 장 역할의 큐비트 두 개를 연결해 단일 루프(플라켓, plaquette)를 구성했다.

자기 선속의 동역학적 인코딩

두 큐비트를 얽힘(entanglement) 상태로 준비하면 격자 게이지 이론 언어로 루프를 관통하는 자기 선속이 생성된다. 기존 방식대로 자기 선속을 고정된 배경으로 구현하기 어려웠던 하드웨어 한계를 극복하기 위한 실용적 선택이었으나, 결과적으로 더 근본적인 물리 현상—물질과 게이지 장이 공동으로 양자 동역학에 참여하는 상황—을 구현하는 경로가 됐다.

핵심 결과: 터널링 완전 억제

자속이 없을 때 물질 입자는 루프를 따라 자유롭게 터널링했다. 자속을 도입하자 두 가지 경로를 통한 진폭이 상쇄 간섭(destructive interference)을 일으켜 터널링이 완전히 억제되고 시스템이 초기 상태에 동결됐다. 이는 동역학적 격자 게이지 이론 환경에서 아하로노프-봄 효과를 실험으로 구현한 첫 사례에 해당한다.

병행 연구와 한계

같은 호 Nature Physics에는 메릴랜드대(University of Maryland) Norbert Linke 교수팀이 하이브리드 양자 시스템으로 핵·입자 물리학에서 중요한 유카와 퍼텐셜(Yukawa potential)을 시뮬레이션한 연구도 수록됐다. 두 팀은 독립적으로 연구를 진행한 뒤 제출 시점을 맞췄다. 다만 이번 Oxford 실험은 단일 루프 규모에 머물러 있으며, 현실적 고에너지 물리학 문제를 다루려면 격자 전체로 시스템을 확장하는 추가 기술 개발이 요구된다.