원자 또는 아원자 입자와 같은 물체가 가장 낮은 에너지 상태로 냉각될 때에도, 그것들은 하이젠베르크의 불확정성 원리에 따라 위치 및 운동량의 임의적인 요동을 경험한다. 즉, 위치가 더 잘 정의되면, 운동량의 불확정성이 더 커지는 것이다. 간단히 말해서, 움직이지 않고 있는 것은 불가능하다는 것이다. 이것은 단지 원자 스케일에서만 적용되는 것이 아니라 극도로 작지만 수십억개의 원자들을 포함하고 있는 거시적인 물체에도 적용된다. 

이런 요동은 전통적인 방법에 의해서 검출되기는 매우 어렵다. 그 이유는 전통적인 선형 증폭 기술이 항상 양자 변동을 감추어줄 수 있는 일부 고전적인 소음을 추가하기 때문이다. 더구나 이런 변동 에너지를 직접적으로 측정하는 것은 이른바 영점 에너지라고 불리는 것 때문에 불가능하다. 이제 미국 표준 기술 연구소의 양자 디바이스 그룹의 연구진은 단파장 라디오 주파수에서 진동하는 미세한 알루미늄 드럼의 양자 요동을 분해할 수 있는 독특한 측정 시스템을 고안하고 시연하였다. 

이 시스템은 마이크로칩 상에 적합하며 세 개의 요소를 포함하고 있다. 그것들은 드럼헤드 기계 공진기, 부착된 인덕터 코일, 그리고 전기적으로 결합된 인위적인 원자이다. 이전에, NIST 연구진은 기계적 운동을 그것의 기저상태로 냉각시키기 위한 연구를 위해 드럼-코일 공동을 광범위하게 연구하였다. 이들은 또한 기계적으로 어떻게 저장하고 정보를 어떻게 전달하는지에 대해서도 연구하였다. 이들의 최근 연구 결과는 네이처 물리에 보고되었다. 새로운 측정 소스로서 인위적인 원자를 이용함으로써, 연구진은 기계적 공진기의 영점 요동의 존재를 확실하게 보이기 위한 광기계적 시스템을 테스트하였다.

먼저 그들은 기계적 공진기가 에너지를 그것으로부터 제거하는 것이 불가능하다는 것을 보여줌으로써 기저 상태로 냉각될 수 있다는 것을 확인하고 싶어했다. 이것은 기계적 포논과 공동 안의 마이크로파 빛의 포톤 사이의 에너지 교환 능력을 포함한다. 그 다음 이들 연구진은 영점 요동을 증폭시키기 위해서 패라메트릭 증폭으로 알려진 기술을 사용하였다. 교환 및 증폭 프로세스는 마이크로파의 응집 펌핑을 광기계 시스템의 인덕터 코일로 함으로써 이루어졌다. 이런 프로세스는 기계적 드럼이 진동할 때, 그것의 움직임은 전기적 공동의 공명 주파수를 변화시킨다는 사실에서 발생한다.

FM 라디오처럼, 드럼헤드의 운동은 전기적 공동 톤의 변하는 주파수에 인코딩된다. 기계적 진동의 주파수와 동일한 양에 의한 공동의 공명 아래의 주파수에서 시스템을 펌핑하면, 교환 프로세스가 발생하며, 공동의 공명보다 더 높은 기계적 주파수를 펌핑하면 증폭 프로세스가 발생한다이. 런 두 실험을 수행하기 전에, 연구자들은 인위적인 원자 측정 방법을 테스트하였다. 이들은 전기적 공동 안에 알려진 양의 에너지를 생성하고 인위적인 원자를 사용하여 그것들을 읽어내었다. 이런 과정을 통하여 연구진은 응집된 에너지 입력뿐만 아니라 열 가열과 동등한 임의적인 진폭과 위상을 가진 에너지 양을 분석할 수 있었다. 이것은 응집과 임의적인 요동을 구별할 수 있는 방법을 제공한다.

각 실험을 위해서, 연구진은 전기적 공동을 이용하여 기계적 드럼의 운동을 거의 양자 기저 상태로 냉각시켰다. 그 다음 전기적 포톤을 위해서 기계적 포논을 교환한 후에, 이들 연구진은 인위적인 원자를 이용하여 역학에 단일 포논 이하의 것이 존재한다는 것을 증명하였다. 두 번째 테스트를 위해서, 패라메트릭 펌프 톤이 가동되어 기계적 드럼의 운동을 증폭시켰다. 이들 연구진은 이런 패라메트릭 증폭 프로세스가 더 많은 포톤들을 공동에 추가하고, 더 많은 포논들을 기계적 시스템에 추가한다고 말하였다. 이것은 포논들이 임의적인 양자 요동에 의해서 발생해도 마찬가지이다. 펌프가 가동된 이후, 이런 실질적인 포톤은 공동을 채우고 인위적인 원자에 의해서 잉여의 열이 측정될 수 있다.

모든 증폭 프로세스는 이득들 가지고 있다. 이런 이득에 의해서 포톤 및 포논의 갯수가 그들의 초기값보다 증가하는 것이다. 양자 역학의 하이젠베르크의 원리에 의해서 끊임없는 임의적인 운동이 지속되어야만 하며 이것은 증폭될 수 있다. 연구진은 응집 운동의 알려진 양을 증폭함으로써 그들의 시스템 이득을 결정하였다. 기저 상태로부터 시스템을 증폭한 이후, 그들은 처음에 정확하게 한 개의 양자 영점 요동이 존재해야만 한다는 것을 밝혀내었다.

개정된 동일한 시스템은 역으로 사용될 수 있다. 인위적인 원자는 특정한 포논 상태를 발생시킬 수 있다. 그것은 또한 기계적 진동자의 양자 동역학을 연구하는데 이용될 수 있다. 오랜 수명의 기계적 진동자의 양자 상태를 제어하는 것은 양자 역학과 같이 기본적인 특성을 테스트하는데 있어서 매우 중요하다. 이와 같은 시스템은 또한 양자 정보에 응용될 수 있는 리소스이다. 이들 연구진에 의해서 시연된 것과 같이, 이들의 연구 결과는 매우 정밀하게 측정할 수 있는 새로운 검출 방법을 개발하기 위한 새롭고, 강력한 양자 향상된 플랫폼을 제공하여 줄 수 있을 것이다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』