4분 읽rl
- 양자 얽힘은 광학 원자시계의 안정성을 높이고 측정 시간을 단축할 수 있다는 실험 결과
- 단 250ms(밀리초)의 측정 시간으로 칼슘 이온 시계는 최대 7 x 16초의 측정 불확도 달성
- 다른 광학 이온 원자시계의 정밀도 향상에도 도움이 될 수 있다고 밝혀

양자 얽힘으로 원자시계의 정밀도 향상
물리적 양자 결합으로 간섭을 줄이고 이온 시계의 측정 시간을 단축

더 빠른 시간 측정:
양자 얽힘은 광학 원자시계의 안정성을 높이고 측정 시간을 단축할 수 있다는 실험 결과가 나왔다. 두 개의 얽힌 칼슘 이온이 시간 측정 장치 역할을 했다. 이온 간의 얽힘은 주변 자기장의 간섭 효과를 상쇄하여 이온들이 더욱 안정적으로 "똑딱" 소리를 낼 수 있도록 했다. 연구진은 이 기술이 다른 광학 이온 원자시계의 정밀도 향상에도 도움이 될 수 있다고 밝혔다. 

▲ 독일 연방물리기술연구소(PTB)에 있는 스트론튬 격자 원자시계의 핵심부를 살짝 엿볼 수 있다. 이 시계는 세계에서 가장 안정적인 광학 원자시계다. © PTB

원자시계는 세계 시간을 측정하는 기준이 된다. 원자시계의 똑딱거리는 소리는 극저온 상태로 떠 있는 원자 구름이 들뜬 상태를 바꾸는 주파수에 해당한다. 현재 기준 시계에서는 마이크로파를 이용해 세슘 원자의 양자 도약을 유도한다. 하지만 더 짧은 파장의 레이저 빔을 이용해 원자 또는 이온의 상태 변화를 일으키는 광학 원자시계는 훨씬 더 정밀하다.

하지만, 특히 이온 원자시계의 경우 문제가 있다. 양자 요동 때문에 이러한 광학 시계의 개별 이온들이 모두 동시에 양자 도약을 겪지 않는다는 것이다. 따라서 정확한 시계 주파수 값은 더 긴 측정 기간이 지나야 알 수 있다. 위성 항법 시스템과 같은 일부 응용 분야에서는 기준 시계가 빠르고 정확하게 작동해야 한다.

양자 얽힘을 통한 교란에 대한 민감도 향상

해결책이 있다. 독일 연방물리기술연구소(PTB)의 카이 디체(Kai Dietze) 연구팀이 이를 입증했다. 그들은 양자 물리학 현상인 양자 얽힘을 이용하여 광학 이온 원자 시계를 더욱 안정적이고 빠르게 판독할 수 있도록 만들었다. 연구팀은 "우리 프로토콜에서 얽힌 이온은 얽히지 않은 이온과 동일한 정밀도를 달성하지만 측정 시간은 절반으로 단축된다"고 밝혔다.

시간 측정을 위해 연구팀은 양전하를 띤 칼슘 이온 두 개를 측정 입자로 사용했다. 이 이온들은 먼저 짧은 레이저 펄스를 이용하여 서로 얽히게 했다. 핵심은 이러한 양자 얽힘이 두 이온을 소위 디코히런스 프리 커플링 상태(enDFS)로 만든다는 것이다. 결과적으로, 입자들은 주변 자기장의 변동에 서로 반대 방향으로 반응하여 간섭 효과를 상쇄한다. 이러한 전략 덕분에 이온 원자시계의 측정 신호는 광학 원자시계의 주요 간섭 메커니즘 중 하나인 자기장 잡음에 크게 영향을 받지 않는다.

짧은 측정 시간에도 불구하고 낮은 측정 불확도(uncertainty)*
(불확도는 측정값이 얼마나 신뢰할 수 있는지, 즉 어느 정도의 불확실성을 내포하고 있는지를 나타내는 지표)
이러한 이온 시계를 판독할 때 이러한 장점이 얼마나 큰지 확인하기 위해 Dietze 연구팀은 자신들이 개발한 얽힌 칼슘 시계를 광학 스트론튬 격자 시계와 비교했다. 후자는 측정 입자로 훨씬 더 많은 원자를 사용하기 때문에 일반적으로 훨씬 더 안정적이고 빠르며 정확하게 판독할 수 있다.

결과는 양자 얽힘이 이온 원자시계의 작동을 상당히 안정적으로 만든다는 것을 보여주었다. 단 250ms(밀리초)의 측정 시간으로 칼슘 이온 시계는 최대 7 x 16초의 측정 불확도를 달성했다. "이는 현재까지 기록된 칼슘-40 이온 시계 중 가장 낮은 불안정성을 나타낸다"고 물리학자들은 보고했다. 동시에, 유사한 정밀도를 달성하는 데 필요한 측정 시간은 비얽힘 시계에 비해 절반에 불과하다.

디에체(Dietze)와 그의 연구팀에 따르면, 이러한 결과는 얽힌 다중 이온 상태가 양자 컴퓨터와 양자 통신에 중요할 뿐만 아니라 정밀 시간 측정에도 실질적인 이점을 제공한다는 것을 보여준다. 그들의 접근 방식은 다른 이온 종류에도 적용 가능하므로 미래의 광학 원자 시계에 대한 새로운 가능성을 열어준다.

참고: Physical Review Letters, 2026; doi: 10.1103/dyqm-k8p6
출처: 독일 연방물리기술연구소(PTB)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]