50년 이상 이론으로만 존재하며 실제 구현이 어려울 것으로 여겨졌던 양자 현상인 ‘초방사상 전이(SRPT)’를 실험적으로 구현하는 데 성공했다.

다수의 양자 입자를 동시에 제어할 수 있는 새로운 방식이 제시되며 양자컴퓨터의 성능과 확장성, 하드웨어 설계에 변화를 줄 수 있을 것으로 기대되고 있다.

11일 라이스 대학교 연구진은 '마그노닉 디케 초방사상 전이 관측(Observation of the magnonic Dicke superradiant phase transition)'이라는 논문을 사이언스어드밴스를 통해 발표했다.

초방사상 전이는 여러 개의 양자 입자들이 전자기장과 강하게 상호작용하며 집단적으로 양자 상태를 전이하는 현상이다.

이는 기존의 양자컴퓨팅이 양자 입자를 하나씩 제어해왔던 방식과 달리, 많은 입자를 집단적으로 동시에 제어할 수 있는 새로운 가능성을 제시한다. 이를 통해 양자컴퓨터의 확장성과 효율성에 새로운 길을 열수 있을 것이란 기대를 받고 있다.

다만 초방사상 전이는 1973년 디케(Dicke) 모델로부터 이론적으로 예측됐지만 극도로 까다로운 조건을 요구해 실제 실험에서 관측되기는 어렵다고 여겨져 왔다.

초방사상 전이는 원자, 스핀 등 다수의 입자가 하나의 전자기장과 매우 강하게 결합해야 전이가 일어난다. 이른바 '임계 결합 강도(critical coupling)'를 넘지 못하면, 집단적인 상태 전이는 절대 발생하지 않는다.

게다가 수많은 입자가 완전히 동일한 에너지 상태와 공진 조건에 있어야 하며, 실험 환경에서는 이 조건을 맞추기가 극도로 어렵다. 작은 온도 변화나 잡음, 외부 간섭만 있어도 양자 상태는 쉽게 무너진다.

이런 이유로 초방사상 전이는 주로 초전도 회로나 냉각 원자와 같은 특수한 실험 환경에서만 간접적으로 다뤄졌을 뿐 고체 상태에서의 구현은 '사실상 불가능한 영역'으로 여겨졌다.

논문에 따르면 연구팀은 에르븀(Er), 철(Fe), 산소(O)로 구성된 고체 자성체인 에르븀 페라이트(ErFeO₃)를 활용해 초방사상 전이를 직접 관측했다고 밝혔다.

이는 수많은 스핀이 동시에 진동하는 스핀파(마그논)가 자연스럽게 형성되고 상대적으로 오랫동안 유지되는 특성을 가진 에르븀 페라이트의 특성을 기반으로 한 것이다.

연구팀은 에르븀 페라이트 결정을 영하 200도로 냉각하고 지구 자기장의 10만배를 넘어서는 최대 7테슬라의 강력한 자기장에 노출시켜 다수의 입자가 하나의 거대한 입자처럼 동시에 반응하는 현상을 확인했다고 밝혔다.

이들은 결합 강도를 정밀하게 조절해 임계점을 넘긴 후 특정 진동 모드의 주파수가 0에 수렴(소프트모드)하는 전형적인 위상 전이 신호를 확인하며 초방사상 전이를 고체에서 구현하고 검증하는 데 성공했다고 강조했다.

라이스 대학의 김다솜 박사는 "이번 연구는 고체 기반에서 집단 양자 현상을 실험적으로 구현한 첫 사례"라며 "향후 양자 센서 및 양자컴퓨팅 기술의 감도와 정확도를 높이는 데 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.