원자로 만든 세계에서 가장 작은 고양이 주목

과학자들이 원자를 제어해 세계에서 가장 작은 고양이 영상을 만들었다고 과학전문매체 인터레스팅엔지니어링이 최근 보도했다. 중국 과학기술대학 연구진들은 개별 루비듐 원자를 제어해 고양이 영상을 만든 내용을 이번 달 국제학술지 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)'에 발표했다. 연구진은 모두 2천24개 루비듐 원자를 사용해 고양이 영상을 만드는 데 성공했다. 이는 양자 수준에서 물질을 정밀하고 빠르게 재배열할 수 있다는 것을 보여주는 새로운 진전으로 평가된다. 이 영상은 양자역학의 대표적인 사고(思考) 실험인 '슈뢰딩거의 고양이'를 묘사한 것이다. 독일의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 1929년에 고안한 슈뢰딩거의 고양이는 양자 상태를 상징하는 비유로 유명하다. 상자를 열기 전까지 안에 있는 고양이는 살아있는 지, 죽어있는 지가 확정되지 않은 채 중첩되어 있다는 역설적인 사고 실험을 말한다. 연구진은 인공지능(AI) 모델을 이용해 루비듐 원자들을 움직여 영상을 만들었다. 영상에서 보이는 노란색 점은 각각 230마이크로 미터(㎛) 폭의 배열 내에서 이동한 단일 루비듐 원자를 나타낸다. 루비듐 원자의 반지름은 248pm(피코미터, 1pm=1조 분의 1m)이다. 공개된 영상은 사람들이 볼 수 있도록 원자의 움직임을 33배 느리게 한 것이다. 이번 영상 제작에는 머신러닝 알고리즘과 레이저 광선으로 입자를 잡아 이동시키는 광학 핀셋 기술이 활용됐다. 연구진은 광학 핀셋 기술로 약 2천 개의 루비듐 원자를 정밀하게 이동시키고 배열했다. 원자는 레이저로 원자를 이동시킬 때 방출하는 빛을 검출해 위치를 추적하는 데 AI 모델은 최적의 레이저 위치를 실시간으로 계산해 원자 배열의 속도를 높였다. 홍콩 사우스차이나모닝포스트는 이 시스템이 인상적인 정확도를 보여 단일 큐비트 연산에서 99.97%, 이중 큐비트 연산에서 99.5%, 큐비트 상태 감지에서 99.92%를 달성했다고 보도했다. 이 방법은 배열의 크기가 증가해도 원자 재배열에 걸리는 시간을 일정하게 유지해 확장성이 매우 뛰어나다고 연구진은 설명했다. 연구진은 "이 프로토콜은 현대 기술을 사용해 결함 없는 수만 개의 원자 배열을 생성하는 데 쉽게 사용될 수 있으며, 양자 오류 정정을 위한 유용한 도구가 될 수 있다"고 논문을 통해 밝혔다.