양자 역학이 허용하는 가장 약한 무선 신호를 감지하는 새로운 회로

약한 무선 주파수 전자기장의 탐지는 핵자기 공명 영상에서 전파 천문학을 비롯한 여러 분야에서 중요한 역할을 합니다.

양자 광학에서 가장 약한 신호는 단일 광자입니다. 극저온에서도 열 변동을 막을 수 없기 때문에 메가헤르츠 주파수에서 개별 광자를 감지하고 조작하는 것은 정말 어렵습니다.

이제 Delft University of Technology의 물리학자들은 그러한 탐지를 가능하게 하는 시스템을 개발했습니다. 그들은 양자 역학 이론이 허용하는 가장 약한 신호(광자 또는 에너지 양자)를 감지하기 위한 양자 회로를 구축했습니다.

양자 역학에서 에너지는 '양자'로 알려진 작은 틈의 형태로 제공됩니다. 예를 들어 설명하겠습니다. 장바구니를 밀고 있다고 가정해 보겠습니다. 고전 물리학에 따라 더 빨리 가고 싶다면 카트를 더 밀면 더 많은 에너지와 속도를 얻을 수 있습니다.

그러나 양자 역학의 법칙은 매우 다릅니다. 카트의 에너지는 한 번에 하나의 '양자 단계'만 증가시킬 수 있습니다. 이러한 '양자 단계'는 카트를 밀기에는 너무 약합니다. 사실, 단일 양자 단계를 정확하게 감지하는 장치는 거의 없습니다. 전파의 경우도 마찬가지입니다.

참조:ScienceMag | doi:10.1126/science.aaw3101 | 델프트 공과대학교

이 연구에서 연구원들이 구축한 것은 무선 주파수 신호에서 이러한 작은 양자 단계를 실제로 감지할 수 있습니다. 새로운 회로 양자 전기 역학 아키텍처는 양자 수준에서 무선 주파수 공진기의 판독 및 조작을 가능하게 합니다.

이 연구에서 개발한 양자 칩(1*1 cm) | 출처:TU 델프트

이 아키텍처는 회로 양자 전기 역학을 메가헤르츠 주파수 범위의 다른 물리적 시스템(예:거시적 기계적 발진기 또는 스핀 시스템)과 인터페이스하는 데 사용할 수도 있습니다.

팀은 양자 감지 응용 분야를 넘어 양자 메커니즘을 사용하는 것을 목표로 합니다. 즉, 양자 중력을 탐구하기를 원합니다. 양자 전자기 이론이 1920년대에 처음 공식화되었지만 물리학자들은 중력을 양자 역학에 맞추는 방법을 알아낼 수 없었습니다.

연구원들은 양자 전파를 이용해 대형 물체의 양자 진동을 듣고 조작할 계획이다. 그들은 또한 양자 중력과 역학을 결합하고 어떤 일이 일어나는지 확인하려고 노력할 것입니다.

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물론 이러한 실험을 수행하기가 쉽지는 않겠지만 성공하면 시공간 자체의 양자 중첩을 생성할 수 있을 것입니다. 이를 위해서는 일반 상대성 이론과 양자 역학에 대한 깊은 이해가 필요합니다.

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