옥스퍼드 연구팀, 단일 포획 이온으로 '쿼드스퀴징' 4차 양자 상호작용 첫 구현

스퀴징이란 무엇이며 왜 어려운가

양자역학에서 위치와 운동량처럼 서로 쌍을 이루는 물리량은 동시에 정밀하게 결정될 수 없다. 스퀴징은 이 불확정성을 한쪽 방향으로 압축해 특정 물리량의 측정 정밀도를 높이는 기법이다. 이미 중력파 검출기 LIGO에서 스퀴즈드 광(squeezed light)이 실용화되어 있을 만큼 응용 가치가 검증된 기술이다.

그러나 2차 효과인 일반 스퀴징을 넘어 3차(트리스퀴징), 4차(쿼드스퀴징) 상호작용으로 올라갈수록 자연 발생 강도는 급격히 약해진다. 원하는 양자 효과가 나타나기 전에 잡음에 묻혀버리는 것이 기존 방식의 근본적인 한계였다.

비가환성을 역이용한 새 접근

연구팀은 2021년 Raghavendra Srinivas 박사와 Robert Tyler Sutherland가 제안한 이론에 기반해 문제를 우회했다. 각각으로는 선형 효과만 내는 두 종류의 힘을 단일 포획 이온에 동시에 가하면, 두 힘이 서로의 작용에 영향을 미치는 비가환성(non-commutativity)으로 인해 더 강한 고차 상호작용이 생성된다는 원리다.

주파수, 위상, 세기를 조정함으로써 2차·3차·4차 상호작용을 선택적으로 발생시키고 불필요한 효과는 억제했다. 쿼드스퀴징은 기존 방식 대비 100배 이상 빠르게 생성됐다고 연구팀은 밝혔다.

상태 재구성으로 검증

연구팀은 포획 이온의 운동 양자 상태를 재구성하는 방식으로 실험 결과를 검증했다. 측정된 상태는 2차·3차·4차 스퀴징에 각각 고유한 형태를 보여 상호작용의 차수를 직접 확인할 수 있었다.

또한 이온 스핀의 중간 회로 측정(mid-circuit measurement)과 결합해 스퀴즈드 상태의 임의 중첩(superposition)을 생성하고, 격자 게이지 이론(lattice gauge theory)을 시뮬레이션하는 데도 응용했다.

확장 가능성과 한계

이 방법은 포획 이온 외에도 비가환 힘을 구현할 수 있는 다양한 플랫폼에 적용 가능하다고 연구팀은 주장한다. 양자 시뮬레이션, 초정밀 센싱, 양자 컴퓨팅 등 여러 분야로의 확장이 논의되고 있으며, 현재 다중 진동 모드 시스템으로 연구가 확대되고 있다.

다만 현재까지는 단일 이온·단일 모드 실험이라는 점, 고차 스퀴즈드 상태의 실용적 노이즈 내성이 아직 충분히 검증되지 않았다는 점은 후속 연구에서 다뤄야 할 과제로 남아 있다.