두 원자의 은밀한 대화를 엿들었을까?

사이언스 타임즈2021.06.01 09:00 심재율 객원기자

• 자기 원자의 양자 상호작용 확인
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• 물질이 어떻게 작동하는가는 수많은 원자 사이의 상호작용에 달려 있다. 아마 이것을 ‘거대한 그룹 채팅’으로 볼 수 있다. 원자들이 양자 정보를 지속적으로 교환하는 것이다.
• 델프트 공과대학교(Delft University of Technology) 연구원은 아헨 대학과 율리히(Jülich) 연구 센터와 협력해 두 원자 사이의 대화를 엿들을 수 있게 되었다. 이 연구 결과를 5월 28일 사이언스(Science) 저널에 발표됐다.
• 물론 원자가 진짜로 말을 하는 것은 아니지만, 두 원자는 서로에게 반응한다. 특히 자성 원자가 그렇다.“

• 티타늄 원자에 전기 펄스를 가하는 실험에 대한 예술적 표현. 전기 펄스의 결과로 티타늄 원자의 자기 모멘트가 갑자기 뒤집힌다. 인접한 티타늄 원자(오른쪽)는 이 운동에 반응하지만 빠른 움직임과 보조를 맞출 수 없다. 원자 사이의 자기 양자 정보의 교환이 시작하는 것이다. ©TU Delft/Scixel
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• 각 원자는 스핀이라고 불리는 작은 자기 모멘트를 운반한다. 스핀들이 가깝게 모이면 마치 나침반 바늘이 그런 것처럼 서로에게 영향을 준다. 이 중 한 스핀을 누르면 매우 특이한 방법으로 함께 움직이기 시작한다”라고 연구의 리더인 샌더 오트(Sander Otte)는 설명한다.
• 하지만 양자역학의 법칙에 따르면, 각각의 스핀은 다양한 방향을 동시에 가리키며 중첩을 형성할 수 있다. 이것은 양자 정보의 실제적인 전달이 어떤 종류의 대화처럼 원자 사이에서 일어난다는 것을 의미한다.
• 큰 규모에서 원자 사이의 이런 종류의 정보 교환은 매혹적인 현상을 이끌 수 있다. 전형적인 예는 초전도 현상이다. 초전도 현상은 어떤 물질이 임계 온도 이하로 떨어지면 모든 전기 저항을 상실하는 효과를 말한다.
• 아무도 초전도 효과가 여러 복잡한 재료에서 어떻게 발생하는지 정확히 알지 못한다. 하지만 자기 양자 상호작용이 중요한 역할을 한다는 것은 확실하다. 이 같은 현상을 설명하기 위해, 과학자들은 양자의 상호작용을 가로채는 것에 관심이 아주 많다. 다시 말해서 원자 사이의 대화를 엿듣는 것이다.
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• 티타늄 원자 1나노미터로 배치해서 실험
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• 오트 연구팀에서는 이 문제를 직접적으로 다루었다. 그들은 말 그대로 두 개의 원자를 서로 옆에 두고 무슨 일이 일어나는지 관찰했다. 스캐닝 터널링 현미경(STM)의 날카로운 바늘을 이용하면, 원자를 하나하나 탐사하고 심지어 그 원자를 재배열할 수 있다.
• 연구팀은 이 장치를 사용하여 티타늄 원자 두 개를 1나노미터(백만분의 1 밀리미터)가 조금 넘는 거리에 배치했다. 이 거리라면 원자들은 서로의 스핀을 감지할 수 있다. 이제 두 스핀 중 하나를 비틀면 대화는 저절로 시작된다.
• 보통, 이런 비틀기는 매우 정밀한 무선 신호를 원자에 보내면서 수행된다. 병원에서 사용하는 자기공명장치의 작동 원리를 연상시키는 이른바 스핀 공명 기술은 양자비트에 대한 연구에 성공적으로 사용된다. 
• 그러나 이 장치는 너무 단순하고 느린 단점이 있다. 논문의 수석 저자인 루카스 벨트만(Lukas Veldman)은 자기공명장치로는 두 스핀을 반대 방향으로 이동시킬 때 발생하는 현상을 조사할 수 없다.
• 그래서 연구원들은 새 방법을 시도했다. 갑자기 전류를 올려 두 개의 원자 중 한 개의 회전을 빠르게 했다. 그랬더니 정확히 규칙대로 아름다운 양자 상호작용이 나타났다.
• 펄스가 진행되는 동안 전자는 원자와 충돌하여 원자의 스핀이 회전하게 된다. 이 과정에서 섬세한 양자 정보의 결맞음(coherence)이 사라지고 전자의 결어긋남(incoherence)이 나타난다. 전자의 역사는 충돌 이전과 이후가 달라진다. 이러한 전자의 혼돈이 원자의 스핀으로 전달되어 결맞음을 파괴한다.
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• 새로운 형태의 양자 중첩 일으켜
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• 연구팀은 이번 연구 결과를 볼 때 각각의 무작위 전자가 중첩을 불러올 수 있다고 해석한다.
• 공저자인 아헨 대학의 마르쿠스 테르네스(Markus Ternes)는 “두 원자를 구성하는 결합체계의 관점에서 볼 때, 실험 결과는 전혀 평범하지 않다.”라고 평가했다. 두 원자는 완벽한 형태의 중첩을 새로 만들어내서, 두 원자 사이의 정보 교환을 가능하게 한다.
• 이러한 일이 일어나기 위해서는 두 스핀이 모두 얽혀야 한다. 테르네스는 “고전적으로 가능한 것보다 더 많은 정보를 공유하는 독특한 양자 상태가 나타난다.”고 덧붙였다.
• 이번 발견은 양자비트에 대한 연구에 중요하다고 연구팀은 발표했다. 연구팀은 이번 연구에서 두 개의 원자를 사용했다. 하지만 세 개를 사용하면 어떻게 되고, 10개 아니면 1,000개의 원자를 사용하면 어떤 현상이 나타날까?
• 아직은 계산 능력이 이를 측정할 만큼 이르지 못해서 아무도 예측할 수 없지만, 언젠가는 누구도 들을 수 없었던 양자 대화를 들을 수 있게 될 것이라고 벨트만은 예상했다.
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•  심재율 객원기자
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