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뮌헨 공과대학교(Technical University of Munich), 비엔나 공과대학교(Vienna University of Technology)와 바이에른 과학 및 인문한 아카데미(Bavarian Academy of Sciences and Humanities) 공동연구팀이 양자정보 연구에 흥미롭고 새로운 기회를 제공할 놀라운 에코 효과를 발견했음. 작은 입자는 특정 방향을 가리키는 각운동량을 가질 수 있음. 이를 스핀이라고 함. 이 스핀은 자기장을 사용하여 조작할 수 있음. 예를 들어, 이 원리는 병원에서 사용되는 자기 공명 영상의 기본 개념임. 연구팀이 양자 정보 처리 시스템에 특히 적합한 놀라운 효과를 발견했음. 마이크로파 공진기에 결합된 실리콘 안의 인(Phosphor) 원자 스핀에서 발견한 것임. 이러한 스핀이 마이크로파 펄스로 정교하게 자극되면 특정 시간 후에 소위 스핀 에코 신호가 감지 될 수 있음. 주입된 펄스 신호는 양자 에코로 다시 방출되는 것임. 놀랍게도 이 양자 에코는 한 번만 감지된 것이 아니라 전체 일련의 에코를 감지할 수 있었음. 이것은 양자 시스템으로 정보를 처리하는 방법에 대한 새로운 가능성을 열어줌.

스핀 에코는 오랫동안 알려져 온 특이한 일이 아님. 첫째, 자기장을 사용하여 많은 원자의 스핀이 동일한 자기 방향을 가리키는 지 확인함. 그런 다음 원자에 전자기 펄스가 조사되면 갑자기 회전 방향을 바꾸기 시작함. 그러나 약간 다른 환경에 처해 있는 원자가 있으며, 그들은 약간 다른 힘의 영향을 받음. 결과적으로 회전은 모든 원자에 대해 동일한 속도로 변하지 않음. 일부 입자는 다른 입자보다 회전 방향을 더 빠르게 변경하고 곧 완전히 다른 방향으로 회전이 뒤죽박죽이 됨. 그러나 또 다른 전자기 펄스의 도움으로 이 명백한 혼란을 되돌릴 수 있음. 적절한 펄스는 실제로 이전 스핀 회전을 복원하여 모든 스핀이 다시 한 번 동기화되도록 함. 이것은 마치 마라톤을 달리는 것과 비슷하다고 상상할 수 있음. 시작 신호에서 모든 주자는 출발선에 함께 있음. 일부 주자는 다른 주자보다 빠르기 때문에 주자는 시간이 지남에 따라 점점 더 멀어짐. 그러나 이제 모든 주자가 시작으로 돌아가라는 신호를 받으면 빠른 주자는 느린 주자보다 더 긴 거리를 뒤로 이동해야하지만 모든 주자는 거의 동시에 출발점으로 돌아올 것임. 스핀의 경우 이는 특정 시점에서 모든 입자가 다시 정확히 동일한 스핀 방향을 가짐을 의미함. 이를 "스핀 에코"라고 함. 놀라운 것은 연구팀이 하나의 에코를 측정할 수 있었을 뿐만 아니라 일련의 여러 에코를 측정할 수 있었다는 것임.

본 연구 성과는 ‘Physical Review Letters’ ("Echo Trains in Pulsed Electron Spin Resonance of a Strongly Coupled Spin Ensemble") 지에 게재됨