옥스퍼드, 단일 이온 트랩으로 4차 '쿼드스퀴징' 세계 최초 구현

스퀴징이란 무엇인가

양자역학에서 위치와 운동량 같은 켤레 물리량은 하이젠베르크 불확정성 원리에 의해 동시에 정밀하게 알 수 없다. '스퀴징(squeezing)'은 이 불확정성을 한쪽 물리량에 집중시켜 다른 쪽을 더욱 정밀하게 측정하는 기법이다. 이미 중력파 검출기 LIGO에서 광 스퀴징이 실용화될 만큼 확립된 기술이지만, 3차·4차와 같은 고차 스퀴징은 효과가 급격히 약해져 실험적 구현이 사실상 불가능했다.

비가환성을 역이용한 설계 전략

연구팀이 채택한 핵심 아이디어는 2021년 Raghavendra Srinivas 박사와 Robert Tyler Sutherland가 제안한 이론에 근거한다. 각각 단순한 선형 효과만을 내는 두 힘을 동시에 인가하되, 두 힘이 서로 비가환(non-commuting) 관계임을 활용했다. 두 힘이 서로의 작용에 간섭하면서 각각의 합보다 강한 고차 상호작용이 자연스럽게 발생한다는 원리다. 실험실에서 흔히 '잡음원'으로 취급되던 비가환성을 오히려 자원으로 전환한 셈이다.

실험 결과: 스퀴징·트리스퀴징·쿼드스퀴징 전환 제어

옥스퍼드 팀은 단일 포획 이온에 레이저로 두 힘의 주파수·위상·세기를 조절함으로써 2차(스퀴징), 3차(트리스퀴징), 4차(쿼드스퀴징) 상태를 자유롭게 전환했다. 특히 4차 쿼드스퀴징은 기존 직접 구동 방식 대비 100배 이상 빠른 속도로 생성됐다. 이온 운동의 양자 상태를 완전 재구성(state reconstruction)하는 방법으로 2·3·4차 스퀴징 각각에 대응하는 위상 공간 특유의 구조를 직접 확인했다.

응용 가능성과 현재 한계

연구팀은 이미 이온 스핀의 중간 회로 측정(mid-circuit measurement)과 결합해 임의의 스퀴징 상태 중첩을 생성하고, 격자 게이지 이론(lattice gauge theory)을 시뮬레이션하는 데 이 기법을 적용했다. 단일 이온·단일 진동 모드에서 검증된 이 기법은 다중 모드 시스템으로 확장 중이며, 이온 트랩 외의 광학·초전도·중성원자 플랫폼에서도 원리적으로 적용 가능하다. 다만 다중 모드·다중 이온 환경에서의 충실도(fidelity) 유지와 잡음 억제는 아직 검증이 필요한 과제로 남는다.

의미와 전망

이번 성과는 단순히 새로운 양자 상태를 하나 추가한 것이 아니라, 고차 비선형 상호작용 전반을 공학적으로 설계할 수 있다는 방법론을 제시한 데 의의가 있다. 양자 시뮬레이션, 초정밀 센싱, 양자 컴퓨팅 모두에서 새로운 자원이 될 수 있는 고차 스퀴징이 이제 실험실 손 안에 들어온 것이다.