광학 격자로 만든 양자 래칫
Synopsis: Quantum Ratchet Made Using an Optical Lattice

래칫(ratchet)은 주기적인(또는 무작위) 구동으로부터 물체를 한 방향으로 움직이게 하는 장치이다. 래칫은 시계와 세포에서 흔히 사용되지만, 양자계에서 만들기는 어렵다. 그런데 최근 연구자들은 광학 격자에 갇힌 극저온 원자 집합에 대한 양자 래칫을 시연하였다.1) 연구자들은 광학 격자의 깊이를 시간에 따라 바꿈으로써 원자의 양자 상태를 건드리지 않고 원자를 한 격자 위치에서 옆 격자 위치로 결맞게 이동할 수 있음을 보여주었다.

래칫 유형 중 하나인 해밀토니안 래칫은 기체 또는 여러 입자의 계에 주기적이고 손실 없이 미는 힘을 가하여 작동한다. 특정 초기 상태에서 시작하는 입자에 대해서 그 입자의 움직임에 대해 타이밍을 맞추어 밀면 결과적으로 입자가 특정 방향으로 운동하게 된다. 다른 상태에 있는 입자의 경우 미는 타이밍이 운동에 동기화되지 않고 특정 선호 방향이 없이 무작위적인 궤적을 따라 이동한다.

해밀토니안 래칫은 이전에도 양자 시스템에 대해 시연된 적이 있지만, 이러한 래칫의 경우 입자는 결국 공간 전체에 퍼졌었다. 프랑스 툴루즈 대학의 David Guéry-Odelin과 연구팀이 만든 래칫은 방향 제어가 더 엄격하다. 시연에서 연구팀은 광학 격자의 주기적인 포텐셜 위에 105개의 루비듐 원자를 놓았다. 연구팀은 이 포텐셜에 특별히 조정된 변조를 적용하여 원자가 한 격자 위치에서 다음 격자 위치로 단계적으로 이동한다는 것을 보였다. 매 단계에서 원자는 바닥 상태에 정지하게 된다. 이러한 잘 정의 된 수송은 양자 실험을 위한 물질파 제어에 응용이 될 수 있다고 Guéry-Odelin은 전망한다.

궤도 홀 효과 측정
Synopsis: Detection of the Orbital Hall Effect

스핀 홀 효과에서는 인가된 전기장이 전기장을 가로지르는 방향으로 전자 스핀 전류를 유도한다. 이론가들은 전이 금속에서 궤도 각 운동량(orbital angular momentum, OAM) 전류도 흐를 수 있다고 예측한다. 최근 두 그룹이 독립적으로 이러한 소위 궤도 홀 효과(orbital Hall effect, OHE)라고 불리는 것을 관측했다고 보고했다.2)3) 이들의 관측은 올해 초 세 번째 그룹의 관측 결과를 보완한다.4) 이러한 실험 결과들은 전자의 궤도 자유도를 기반으로 한 “오비트로닉” 장치 개발을 향한 진전을 보여준다.

스위스 취리히 연방 공대(ETH)의 Giacomo Sala와 연구팀은 시연을 위해 Hanle 자기저항으로 알려진 현상을 이용했다. 도체에서 자기장이 전자 OAM의 방향과 평행하게 적용되면 OHE로 인해 오비탈 모멘트가 시료 가장자리에 집중되어야 한다. 대신에 만약 전자 OAM에 수직으로 적용되면 오비탈 모멘트가 세차 움직임을 보여야 한다. 그러면 오비탈 모멘트가 서로 위상이 맞지 않게 되어 재료의 자기저항이 높아진다. 연구팀은 망간 박막에서 이러한 효과를 관측했다.2)

오하이오 주립 대학의 Igor Lyalin과 연구팀은 자기광학 Kerr 효과를 사용하는 대신 다른 방법을 택했다. 선형 편광이 자기 표면에서 반사되면 국소적 자화 방향에 따라 편광면이 회전한다. 강한 OHE는 반대편 OAM의 전자가 시료의 양쪽 가장자리에 모이게 하며, 연구팀이 이러한 현상을 크롬 박막에서 관측했다.3)

연구팀은 전자에 대해 OHE가 관측되었으므로 이제 포논과 마그논에 대해 예측된 대응되는 현상을 찾고 있다고 말했다

극저온 원자가 BEC, 초유체, 초고체를 연결하다
Synopsis: Cold Atoms Link a BEC, a Superfluid, and a Supersolid

헬륨-4(4He)에서 초유체성이 발견된 지 1년 후인 1938년, 독일의 물리학자 프리츠 런던은 초유체성이 원자가 같은 양자 상태로 응집되는 현상, 즉 보즈-아인슈타인 응축과 관련이 있다고 예상했다. 현재 우리는 두 현상이 서로 연관되어 있지만 그 연결이 단순하지는 않다는 것을 알고 있다. 예를 들어 저온에서 액체 4He가 초유체로 변하면 원자의 14%만이 동일한 양자 상태에 있다. 사실 대부분의 2차원 초유체에는 BEC 요소가 전혀 없다. 최근 메릴랜드 대학의 Junheng Tao와 연구팀은 두 현상이 세 번째 현상인 초고체성과 연관되어 있음을 보고했다.5) 이 발견은 올해 초 발표된 유사한 실험 결과6)와 일치한다.

실험에서 연구팀은 극저온 루비듐 원자의 BEC를 수직 방향으로 곧고 좁은 U자형 포텐셜 트랩에 올려놓았다. 그런 다음 두 번째 포텐셜을 가하여 거의 1차원인 격자 구조를 만들었다. 그리하여 이러한 두 포텐셜이 가두는 BEC는 원자가 가장자리보다 시스템 중앙에 더 조밀하게 채워지게 된다.

BEC에 초유체 요소가 포함되어 있는지 확인하기 위해 Tao와 연구팀은 산란법을 사용해 초유체 밀도와 연결된 매개변수인 물질의 음속 c를 측정했다. 두 수직 방향을 비교함으로써 그들은 c(그리고 암시적으로 초유체 밀도)가 이방성을 띠며 이전에 발표된 것과 마찬가지로 격자가 없는 경우보다 c가 낮다는 것을 발견했다. 두 관측 결과는 모두 저항 없이 격자 공극이 흐르는 결정질 물질인 초고체에 대해 예측된 성질에 부합한다. 특히 밀도 감소는 초고체에 대한 1970년의 예측7)에 들어맞는다.

트랩 이온의 효과적 제어
Synopsis: Efficient Control of Trapped Ions

양자 컴퓨터 구축을 위한 대표적 과제는 잘 알려져 있다. 큐빗, 즉 이러한 컴퓨터의 계산 구성 요소인 양자 상태가 수명이 길어야 하고 환경에 의한 방해에 대해 견고해야 한다. 그러나 가장 견고한 큐빗이라도 충분한 수로 결합할 수 없다면 양자 컴퓨팅에는 쓸모가 없다. 영국 Oxford Ionics의 Maciej Malinowski와 연구팀은 최근 큐빗 제어를 위한 더욱 효율적인 아키텍처를 제안했다.8) 특히 트랩-이온 큐빗에 “WISE (Wiring using Integrated Switching Electronics)” 접근 방식을 적용하여 1,000 큐빗의 양자 컴퓨터 디자인을 제시했는데 이는 현재 상업적으로 공개된 가장 큰 트랩 이온을 구성하는 수십 큐빗보다 훨씬 많다.

트랩-이온 양자 컴퓨터는 고체 칩 기술의 대부분은 현대적 고전 컴퓨터와 공유되지만, 더 복잡하다. 기존 컴퓨터의 비트는 소수의 전극을 통해 전송된 간단한 신호를 사용하여 쓰고 읽지만, 트랩-이온 컴퓨터는 큐빗당 최대 10개의 전극에 의해 만들어지는 더 미묘하고 다양한 신호를 사용하여 제어된다. 양자 컴퓨터의 큐빗 수가 증가함에 따라 전극과 신호 발생기를 칩에 넣는 것과 그에 따라 발생하는 열을 제어하는 것은 더욱 어려워진다.

WISE 접근 방식에서 Malinowski와 연구팀은 더 적은 수의 신호 발생기를 사용하고 이를 칩 밖으로 이동시켰다. 모든 개별 큐빗이 자체적인 전용 제어 구조를 갖는 대신 하나의 신호 생성기에서 발생한 신호가 소수의 로컬 스위치를 통해 다수의 큐빗으로 전달된다. Malinowski는 그들의 제어 방법을 사용하는 이온 트랩 양자 컴퓨터는 현존하는 반도체 제조 기술을 사용하여 제작할 수 있다고 말한다.