포논 진동 에너지 감지 ‘양자 마이크’ 개발했다

스탠포드 대학 연구팀이 소리를 가상 입자로 가정하고 생각했을 경우 최소 단위가 되는 포논 진동 에너지를 감지하는 양자 마이크(quantum microphone)를 개발했다고 발표했다.

일반 마이크는 음파를 다이어프램이라는 막을 통해 진동하고 이를 전기로 변환해 소리를 신호화한다. 하지만 과연 포논을 신호로 변환하려면 이 방법은 어렵다. 또 하이젠베르크의 불확정성 원리에 따르면 양자 개체 위치는 이를 바꾸지 않고는 정확하게 알 수 없기 때문에 원래 일반 마이크 구조에선 개별 포논을 감지할 수 없다.

연구팀은 음을 간접적으로 측정하는 게 아니라 마치 소리의 거울처럼 미세한 공진기를 포함해 포논이 가진 에너지를 직접 알 수 있게 해주는 장치를 만들었다고 발표한 것이다. 이 장치는 격자 모양으로 배치한 나노 크기 공진기로 이뤄져 있다. 이 공진기는 초전도 회로에 결합해 전자적으로 읽을 수 있는 고유 주파수를 가진 큐비트(qubit)라고 불리는 양자비트를 형성한다. 이 공진기가 드럼 헤드처럼 진동하면 이와 다른 상태의 포논이 생성된다.

연구팀은 이 격자 중간에 갇힌 포논이 격자 진동한다고 설명했다. 또 이 진동을 다른 수의 포논에 대응하는 다른 에너지 레벨로 측정할 수 있다.

이 장치는 앞으로 새로운 형태의 양자컴퓨터로 발전시킬 가능성도 있다고 한다. 미세 소리 패킷을 수신하는 장치는 소리 에너지에서 정보를 부호화하는 장치 개발을 가능하게 하고 작은 장치 내에 방대한 데이터 저장을 가능하게 해줄 수도 있다. 포논은 포톤 그러니까 광자보다 취급이 간단해 광자를 사용해 양자컴퓨터보다 더 작고 효율적인 걸 만들 수도 있다는 얘기다.

연구팀은 이런 점에서 이번에 만든 장치가 기계적인 양자 컴퓨터를 만들기 위한 중요한 단계가 될 것이라고 설명한다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.