라만 분광기, 이온트랩 양자 컴퓨터

 

Chandrasekhara Venkata Raman(1988-1970)은 1930년에 라만 분광학(Raman spectroscopy)을 개발한 공로로 물리학상을 수상한 인도 물리학자이다. 1928년에 다양한 화학적 조성을 가진 화합물에 빛을 쪼였더니 그 색이 달라지는 현상을 우연히 발견하고 연구를 시작한다.

 

우리가 무엇인가를 본다는 것은, 광자와 물질이 상호 작용을 하기에 가능하다. 광원에서 출발한 광자는 물체를 만나기 전까지는 시간도 공간도 없이 오로지 등속 운동을 진행한다. 그러다 물체를 만나면 물체를 구성하는 전자에게 에너지를 전달하고 광자는 사라진다. 그런데, 전자는 양자역학적으로 불연속적인 에너지 레벨을 가지기에, 그 에너지 차이에 해당하는 파장의 광자의 에너지만을 흡수하거나 방출한다. 따라서 우리는 물체마다 다른 색을 보게 된다.

 

빛이 물질을 만나서 이렇게 에너지를 잃으면서 사라지는 경우를 라만 산란 (Raman scattering)이라고 부르고, 에너지를 잃지 않지만 방향을 바꾸는 경우를 레일리 산란(Rayleigh scattering)이라고 부른다. 사실 이러한 산란 과정을 양자 역학적으로, 광학적으로 깔끔하게 설명할 수 있는 물리학 전공자들이 많지 않다. 빛과 물질의 상호 작용은 사실 학부나 심지어 석박사 수준의 물리학 지식으로도 이해가 쉽지 않은 복잡한 과정이기 때문이다. 간단히는 거울에서 빛이 반사되는 원리를 양자역학적으로 스스로 한번 설명해 보라. 그렇게 간단하지는 않다.

 

라만 산란 과정에서 전자가 광자의 에너지를 흡수하면서 광자의 파장이 길어지거나 그 반대로 여기된 전자가 바닥으로 떨어지면서 광자에 에너지를 전달하여 파장이 짧아지기도 한다. 이러한 효과를 stoke’s or anti-stoke’s shift 라고 부른다. 물질에 빛을 쪼이고 그 반응이 나타날때까지의 형광수명(Fluorescence lifetime)이라고 부르며 대략 10^-8 초 정도이다.

 

라만 분광법에서는 빛이 레일리 산란 대비 어느 정도 에너지가 증가 혹은 감소했는지, Raman shift를 측정하여 분자의 진동주파수 혹은 에너지 레벨을 측정한다. 아래는 라만 분광기와 적외선 분광기로 콜레스테롤 분자의 조성을 분석하는 그림을 예로 그렸다. 의료용으로도 라만 분광기는 다양한 질병 검출에 이용된다.  

 

 

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라만 산란을 양자 컴퓨터의 Qbit 구현에 이용할 수 있다. 레이저로 원자를 쪼이면, 전자의 에너지 상태가 달라진다. 이 때 두 에너지 상태를 0>과 1>로 mapping 하여, Qbit의 구현이 가능하다. 이 때, 중성 원자를 레이저로 정교히 control 할 수도 있고 (이전에 얘기한 Rydberg atom), 혹은 전하를 띤 입자를 외부 전기장이나 자기장으로 potential wall 에 고정시키고, 레이저로 입자의 상태를 ground 혹은 excited state로 만들어 제어할 수 있다.

 

1989년 노벨 물리학상은 Norman F. Ramsey, Hans G. Dehmelt, Wolfgang Paul이라는 세 과학자들에게 수여된다. 이들의 공로는 원자 단위로 입자를 제어할 수 있는 Ion trap 기술을 개발한 공로이다. 사실, 우리는 전자가 어떻게 생겼는지, 원자가 어떻게 생겼는지는 알 수 없다. 그러나, 현대 과학은 입자를 원자 한 개 단위로 제어할 수 있을 만큼 기술을 발전시켰다.

 

 

 

공간의 한점에 전하를 고정시키려면, 세 방향으로 용수철을 달면 될 것이다. 실제 용수철을 달 수는 없으니, potential 이 원점에서 멀어질수록 높아지도록 즉, V(x,y,z)=ax^2+by^2+cz^2이 되게 만들면, 원점에서 달아나려고 하다가도 potential 에 이끌려 원래 위치로 되돌아올 것이다 (깊은 함정을 생각하면 간단..). 그러면 실제로 저러한 3차원 potential 우물을 쉽게 만들 수 있을 것인가?

 

그렇다면 굳이 그 세명에게 노벨상을 수상하지 않아도 되었을 것이다. 아래그림을 보면 한 방향으로는 minimum 점이지만, 나머지 방향으로는 maximum 점에 해당한다. 이를 saddle point라고 부르며, 이것이 우리가 만들 수 있는 potential 장벽이다. 그러면 한방향으로는 위치가 고정되겠지만, 다른 방향으로는 미끄러진다. 난감하다. 이 때, Wolfgang Paul이 재미있는 아이디어를 낸다. 저렇게 만든 potential 을 뱅글뱅글 돌리면 어떨까? 이것을 전기장으로 구현하면 Paul trap이라고 부르고, 자기장으로 구현하면 penning trap이라고 부른다.

 

이렇게 입자 하나를 공간에 고정 시킨 후에, 레이저 냉각을 시켜서 주변 물질들과의 간섭을 최대한 제거한다. 레이저 냉각의 원리는 이전에 얘기하였다. 양방향에서 레이저를 쏘면, 도플러 효과에 의해서 입자의 속도는 점차 느려져서 마침내 거의 정지하게 된다. 이제, 아래 그림에서 보듯이, 입자의 두 에너지 레벨의 차이에 해당하는 레이저를 그 입자에 입사하면 ground state 0>에 있던 입자는 excited state 1>에 해당하는 입자로 여기된다. 이렇게 Qbit들을 우리가 원하는 형태로 벼열한 후에 Quantum signal processing을 거쳐서 신호 처리를 한다. 그리고 마지막으로, 레이저를 입자에 비춰서 출력되는 에너지를 관측하면 그 입자가 어떤 상태에 있었는지를 측정하게 된다. 이렇게 동작하는 기계를 Ion trap 방식의 quantum computer 라고 부른다.