옥스퍼드대 연구진, 이온트랩 2개로 Z₂ 격자 게이지 이론에서 아하로노프-봄 간섭 효과 재현

격자 게이지 이론과 양자 시뮬레이션의 한계

게이지 이론은 전자기력·약력·강력을 매개하는 장(field) 사이의 상호작용을 기술하며, 소립자물리학의 표준모형을 이루는 핵심 틀이다. 이를 격자 위에 올린 격자 게이지 이론에서는 공간을 격자망으로 표현하고, 각 꼭짓점에 물질장, 연결선에 게이지장을 배치한다. 가장 단순한 버전인 Z₂ 격자 게이지 이론에서는 각 연결선의 장이 두 가지 값(선 있음/없음)만 취한다. 이 이론은 양자 스핀 액체·고온 초전도체 같은 이색 물질계뿐 아니라, 위상 양자 오류 정정과도 직결된다.

기존 양자 시뮬레이션 연구—냉각 원자나 초전도 큐비트를 이용한 실험 포함—는 대부분 1차원 구조에 한정돼 있었다. 1차원에서는 닫힌 루프가 형성되지 않아 자기 선속 관련 현상, 예컨대 비손(vison)이라 불리는 준입자나 아하로노프-봄 효과가 원천적으로 나타날 수 없다. 2차원 기하학을 다룬 일부 선행 연구도 물질장을 제거한 채 진행돼, 이동하는 전하와 게이지장 사이의 상호작용을 포착하지 못했다.

이온이 두 가지 역할을 동시에

옥스퍼드대 팀은 이온트랩의 두 물리적 자유도를 동시에 활용하는 혼성 접근법을 택했다. 스트론튬 이온의 전자 에너지 준위 두 개를 큐비트로 삼아 게이지장을 인코딩했고, 이온의 진동 모드(조화 진동자)에는 포논(phonon) 하나를 물질 입자로 대응시켰다. 단일 포논의 존재 여부가 물질의 위치를 나타낸다.

격자 기하학은 이온의 물리적 배치가 아니라 큐비트와 진동 모드 간의 결합 관계로 결정되기 때문에, 1차원으로 늘어선 이온만으로도 루프나 2차원 구조 같은 '합성 차원(synthetic dimension)'을 구현할 수 있다. 레이저를 이용해 각 포논 도약 시 연결선의 장 값이 반전되도록 설계함으로써, 입자의 운동과 게이지장이 이론적 요건에 맞게 결합됐다.

아하로노프-봄 효과: 선속이 터널링을 결정

단일 이온 실험에서 연구팀은 포논이 두 사이트 사이를 왕복 터널링하는 현상을 관측했다. 연결선에 에너지 비용을 부여하자 터널링 진폭이 줄어들면서 입자가 한쪽에 더 오래 머무는 경향이 뚜렷해졌다. 연구팀은 이를 쿼크를 하드론 내부에 가두는 색(color) 감금 현상의 전조로 해석했다.

두 번째 이온을 추가하면 두 연결선으로 이뤄진 닫힌 루프가 만들어지고, 두 큐비트를 얽힌 상태로 준비함으로써 루프를 관통하는 자기 선속을 인코딩할 수 있었다. 선속이 없는 얽힘 상태에서는 두 경로가 같은 위상 부호를 주어 간섭이 보강되고, 포논은 단일 연결선 대비 두 배 빠른 속도로 자유롭게 터널링했다. 반면 비손(선속 비영) 상태로 얽혔을 때는 두 경로의 위상 부호가 반대가 돼 완전 소거 간섭이 일어나며 터널링이 완전히 멈췄다. 실험 전반에 걸쳐 선속은 진동 모드의 가열에 의한 디코히어런스 외에는 일정하게 유지됐고, 이를 반영한 수치 시뮬레이션과 실험 결과가 잘 일치했다.

의의와 앞으로의 방향

이번 실험은 물질장이 포함된 2차원 Z₂ 격자 게이지 이론 시뮬레이션에서 선속이 입자 운동에 미치는 효과를 처음으로 완전하게 구현했다는 점에서 의미가 있다. 그러나 현재는 단일 루프(연결선 2개) 수준에 머물러 있어, 고전 컴퓨터가 쉽게 풀 수 있는 규모다. 연구팀이 제시한 두 가지 과제는 첫째 격자 크기를 늘려 고전 계산이 어려운 영역으로 진입하는 것, 둘째 더 많은 값을 허용하는 Zₙ 혹은 연속 게이지 이론으로 확장하는 것이다. 이온 개수가 늘어날수록 큐비트·진동 모드 간 결합 제어와 상태 준비·읽기의 정밀도 유지가 주요 기술적 도전이 될 전망이다.