ETH 취리히 연구원, 거리에 따른 양자 기계적 상관관계 입증

플라톤에 의해 재발행

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두 개의 초전도 회로 사이의 30미터 길이의 양자 연결 부분. 진공관에는 약 –273°C로 냉각된 마이크로웨이브 도파관이 포함되어 있으며 두 개의 양자 회로를 연결합니다. (출처: ETH Zurich / Daniel Winkler)

ETH Zurich의 연구원들은 멀리 떨어져 있는 양자 역학 물체가 기존 시스템에서 가능한 것보다 서로 훨씬 더 강하게 연관될 수 있음을 입증하는 데 성공했다고 말했습니다. 이 실험을 위해 그들은 처음으로 초전도 회로를 사용했습니다.

고체 물리학 교수인 Andreas Wallraff가 이끄는 연구원들은 양자 역학에 대한 응답으로 Albert Einstein이 공식화한 "국소 인과 관계" 개념이 틀렸음을 증명하기 위해 허점이 없는 Bell 테스트를 수행했습니다. 멀리 떨어져 있는 양자 역학 물체가 기존 시스템에서 가능한 것보다 서로 더 강하게 상관될 수 있음을 보여줌으로써 연구원들은 양자 역학에 대한 추가 확인을 제공했습니다. 이 실험의 특별한 점은 연구원들이 강력한 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 유망한 후보로 간주되는 초전도 회로를 사용하여 처음으로 수행할 수 있었다는 것입니다.

Bell 테스트는 1960년대에 영국의 물리학자 John Bell이 사고 실험으로 처음 고안한 실험 설정을 기반으로 합니다. Bell은 1930년대에 물리학의 거장들이 이미 논쟁했던 문제를 해결하고 싶었습니다. Albert Einstein이 믿었던 것처럼?

이 질문에 답하기 위해 Bell은 동시에 두 개의 얽힌 입자에 대해 무작위 측정을 수행하고 이를 Bell의 부등식과 비교하여 확인할 것을 제안했습니다. 아인슈타인의 국부적 인과 관계 개념이 사실이라면 이러한 실험은 항상 벨의 부등식을 만족시킬 것입니다. 반대로 양자 역학은 그들이 그것을 위반할 것이라고 예측합니다.

1970년대 초, 지난해 노벨 물리학상을 수상한 존 프랜시스 클라우저와 스튜어트 프리드먼은 최초의 실용적인 벨 테스트를 수행했습니다. 실험에서 두 연구원은 벨의 부등식이 실제로 위반되었음을 증명할 수 있었습니다. 그러나 그들은 처음부터 실험을 수행할 수 있으려면 실험에서 특정한 가정을 해야 했습니다. 따라서 이론적으로는 아인슈타인이 양자역학에 대해 회의적이었던 것이 여전히 옳았을 수도 있습니다.

그러나 시간이 지남에 따라 이러한 허점을 더 많이 막을 수 있습니다. 마침내 2015년에 다양한 그룹이 최초의 진정한 허점 없는 벨 테스트를 수행하는 데 성공하여 마침내 오래된 분쟁을 해결했습니다.

Wallraff의 그룹은 이제 새로운 실험을 통해 이러한 결과를 확인할 수 있다고 말합니다. 저명한 과학 저널에 게재 된 ETH 연구원의 작업 자연 XNUMX년 전 초기 확인에도 불구하고 이 주제에 대한 연구가 결론이 나지 않았다는 것을 보여줍니다. 이에 대한 몇 가지 이유가 있습니다. 우선, ETH 연구진의 실험은 초전도 회로가 광자나 이온과 같은 미세한 양자 물체보다 훨씬 크지만 양자 역학의 법칙에 따라 작동한다는 것을 확인했습니다. 초전도 물질로 만들어지고 극초단파 주파수에서 작동하는 수백 마이크로미터 크기의 전자 회로를 거시적 양자 물체라고 합니다.

또 다른 이유로 Bell 테스트는 실용적인 의미도 있습니다. Wallraff 그룹의 박사 과정 학생인 Simon Storz는 "수정된 Bell 테스트는 예를 들어 정보가 실제로 암호화된 형태로 전송된다는 것을 입증하기 위해 암호화에 사용할 수 있습니다."라고 설명합니다. “우리의 접근 방식을 사용하면 Bell의 부등식이 위반된다는 다른 실험 설정에서 가능한 것보다 훨씬 더 효율적으로 증명할 수 있습니다. 이는 실제 응용 분야에서 특히 흥미롭습니다.”

그러나 연구원들은 이를 위해 정교한 테스트 시설이 필요합니다. Bell 테스트에 허점이 없기 때문에 양자 측정이 완료되기 전에 두 개의 얽힌 회로 간에 정보가 교환될 수 없도록 해야 합니다. 정보를 전송할 수 있는 가장 빠른 속도는 빛의 속도이기 때문에 측정은 빛 입자가 한 회로에서 다른 회로로 이동하는 데 걸리는 시간보다 더 짧아야 합니다.

따라서 실험을 설정할 때 균형을 맞추는 것이 중요합니다. 두 초전도 회로 사이의 거리가 멀수록 측정에 사용할 수 있는 시간이 더 많아지고 실험 설정이 더 복잡해집니다. 이는 전체 실험이 절대 영도에 가까운 진공 상태에서 수행되어야 하기 때문입니다.

ETH 연구원들은 진공에서 이 거리를 이동하는 데 약 33나노초의 가벼운 입자가 걸리기 때문에 허점 없는 벨 테스트를 성공적으로 수행할 수 있는 최단 거리를 약 110미터로 결정했습니다. 이는 연구원들이 실험을 수행하는 데 걸린 시간보다 몇 나노초 더 많은 시간입니다.

Wallraff의 팀은 ETH 캠퍼스의 지하 통로에 인상적인 시설을 건설했습니다. 두 끝단에는 각각 초전도 회로가 포함된 저온 유지 장치가 있습니다. 이 두 냉각 장치는 내부가 절대 영도(-30°C) 바로 위의 온도로 냉각되는 273.15미터 길이의 튜브로 연결되어 있습니다.

각 측정을 시작하기 전에 마이크로파 광자가 두 초전도 회로 중 하나에서 다른 회로로 전송되어 두 회로가 얽히게 됩니다. 난수 생성기는 Bell 테스트의 일부로 두 회로에서 수행되는 측정을 결정합니다. 다음으로 양측의 측정 결과를 비교합니다.

XNUMX만 개 이상의 측정값을 평가한 후 연구원들은 이 실험 설정에서 Bell의 부등식이 위반된다는 매우 높은 통계적 확실성을 보여주었습니다. 즉, 양자역학이 거시적인 전기 회로에서 비국소적 상관 관계를 허용하고 결과적으로 초전도 회로가 먼 거리에 걸쳐 얽힐 수 있음을 확인했습니다. 이는 분산 양자 컴퓨팅 및 양자 암호화 분야에서 흥미로운 응용 가능성을 열어줍니다.

Wallraff는 시설을 건설하고 테스트를 수행하는 것이 어려운 일이라고 말합니다. "우리는 ERC Advanced Grant의 자금으로 1.3년 동안 프로젝트 자금을 조달할 수 있었습니다." 전체 실험 설정을 절대 영도에 가까운 온도로 냉각시키는 것만으로도 상당한 노력이 필요합니다. Wallraff는 "우리 기계에는 14,000톤의 구리와 XNUMX개의 나사뿐만 아니라 엄청난 물리학 지식과 엔지니어링 노하우가 있습니다."라고 말합니다. 그는 원칙적으로 같은 방식으로 더 먼 거리를 극복하는 시설을 건설하는 것이 가능할 것이라고 믿습니다. 예를 들어, 이 기술은 먼 거리에 있는 초전도 양자 컴퓨터를 연결하는 데 사용될 수 있습니다.