우리 학교 물리학과 안재욱 교수 연구팀이 레이저 빔을 이용하여 루비듐 원자를 하나씩 던지고 받는 기술을 개발했다고 지난 3월 27일 밝혔다. 황한섭, 변우정 박사과정과 일본 국가자연과학연구소의 실바앙 드러젤러크 연구원이 참여한 이번 연구는 국제 학술지인 ‘옵티카(Optica)’에 출판됐다.
 

기존의 원자 이동 및 배치 기술

양자컴퓨팅을 하는 것에 있어서 중성원자로 양자 컴퓨팅을 하는 리드버그 양자컴퓨터 시스템은 큐빗으로 사용할 원자를 원하는 위치에 배치해야 한다. 이를 위해 트랩을 배치해서 원자를 잡게 된다. 간단하게 설명하면, 트랩 안에 원자가 홀수 개가 배치될 수도 있고, 짝수 개가 배치될 수도 있는데 2개의 원자가 만나면 충돌하여 트랩 밖으로 빠져나가기 때문에 50%의 확률로만 원자를 잡을 수 있게 된다. 그러면 원자를 배치하지 못한 공간에 원자를 재배치해야 하므로 바깥에 있는 원자를 이동시키는 기술들이 개발되어 왔다.

기존의 원자 이동 기술은 트랩을 끄지 않은 상태로 끌어서 원자를 이동시켰다. 그러나 이 기술을 이용하면 트랩의 이동 경로 중간에 트랩에 갇힌 다른 원자가 있으면 두 원자가 만나서 충돌하거나 한 원자가 사라지는 현상이 발생한다. 이러한 문제로 인해 재배치 중 다른 원자가 경로상에 존재할 경우, 근처 원자를 하나씩 이동시켜서 채워야 하는 번거로움이 있어 큰 규모의 원자 배열에서는 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다.
 

기존 기술의 문제를 해결하기 위해 개발한 원자 던지고 받는 기술

연구팀은 이 기술의 단점을 발견하고 원자를 던지고 받는 연구를 진행하였다. 먼저, 이 연구는 40μK의 온도를 가진 루비듐 원자를 이용하여 진행되었다. 낮은 온도 조건의 루비듐 원자로 진행한 이유는 온도가 낮아야 양자성을 가리는 노이즈가 줄어들기 때문이다. 거시적인 세계에서는 온도를 포함한 수많은 노이즈로 인해 양자성이 가려져서 관찰하기 어렵기 때문에 극단적으로 낮은 온도에서 실험을 진행하게 된 것이다.

실험은 원자로 ‘캐치볼’을 하면서 진행되었다. 원자가 갇혀 있는 트랩을 가속해 원자를 같이 가속하고 트랩을 끈다. 그러면 가속을 받은 원자는 힘을 받은 방향으로 날아가게 되고, 이를 원하는 위치에서 트랩이 감속하며 받는 기술이다. 이는 이동 경로 중간에 트랩을 끄기 때문에 다른 트랩에 갇혀 있는 원자가 있더라도 통과할 수 있다는 장점이 있다. 그래서 작은 규모의 원자 배열에서는 기존의 연구와 걸리는 시간의 차이가 작지만, 큰 규모의 원자 배열에서는 효과적으로 원자 재배치에 걸리는 시간을 줄일 수 있다.
 

행운도 따라준 실험

황 박사과정은 “초반에 실험을 진행할 때만 해도 감속을 주는 부분이 없었고 이로 인해 실험의 성공확률이 이때는 매우 낮았다”고 밝혔다. 그러나 “가속하는 부분이 있으면, 반대편에 감속하는 부분이 있어야 한다”고 생각하여 이를 추가하자 높은 성공률이 나왔다고 말했다. 이를 토대로 다양한 가속 환경에서 실험을 진행하였는데, 그래프를 찍어보자 우연히 설정했던 가속도 값이 최고의 효율을 내는 값 근처였다고 말하며, “운이 따라줬다”고 얘기했다. 또한, 가속도 값에 따른 성공률을 측정하자 실험적 오차라고 여겼던 피크가 있었는데 이를 물리학적으로 분석해 본 결과 트랩이 가속할 때 갇혀 있던 원자가 진동을 한다는 사실을 파악할 수 있었다며, 이러한 물리적인 분석 덕분에 옵티카라는 저명한 학술지에 논문을 실을 수 있게 된 것 같다고 소감을 밝혔다.

황 박사과정은 “대학원에서 실험을 진행하다가 보면, 5년이라는 시간이 길게 느껴질 수도 있다”고 말하며, “만약 시간이 길게 느껴진다고 시간이 많이 남았다고 생각이 들어 결과를 만드는 일, 혹은 논문을 쓰는 일을 서두르지 않으면, 5년은 순식간에 지나갈 수 있다”고 미래의 연구를 할 학생들에게 조언했다. 또한, “운이 따르는 것도 연구의 중요한 요소로, 운이 따라주지 않는다면 성과가 될 것 같은 일도 긴 시간 동안 성과로 이어지지 않을 수 있다. 그렇기 때문에 연구를 열심히 했는데 운이 따라주지 않는 것 같다면 성과로 이어질 새로운 연구로 빨리 뛰어드는 것도 좋은 전략이 될 수 있다”고 이야기했다.