라비 진동 (Rabi Oscillation)
쉽게 풀면
에너지 준위가 두 개뿐인 계에 딱 맞는 진동수의 빛을 계속 쬐면, 계는 아래 준위와 위 준위 사이를 규칙적으로 왔다 갔다 합니다. 한 번 올라갔다가 확률이 다시 내려오고, 또 올라가는 식으로 진자처럼 반복되는 것입니다. 이 왕복의 빠르기를 라비 진동수라고 하며, 빛이 셀수록 빨라집니다. 그래서 빛을 쬐는 시간을 조절하면 계를 원하는 중첩 상태에 정확히 놓을 수 있습니다.
왜 중요한가
쬐는 시간을 절반 주기로 맞추면 상태를 완전히 뒤집고, 4분의 1 주기로 맞추면 균등한 중첩을 만들 수 있어서, 이것이 큐비트를 조작하는 양자 게이트의 물리적 구현 방식입니다. 핵자기공명과 자기공명영상에서 신호를 만드는 펄스도 같은 원리로 설계됩니다. 실험에서 라비 진동이 몇 주기까지 선명하게 유지되는지가 그 계의 결맞음 품질을 보여 주는 지표로 쓰입니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
조금 더 깊게 보면
두 준위계에 진동하는 외부 장을 걸고 회전파 근사를 적용하면, 점유 확률이 시간에 대해 사인 제곱 꼴로 변하는 해가 얻어집니다. 자극 진동수가 공명에서 벗어나면 진동은 빨라지지만 진폭이 줄어들어 상태를 완전히 뒤집을 수 없게 되고, 이 관계를 라비 공식이라 부릅니다. 결맞음이 유지되는 동안에만 진동이 보이므로, 환경과의 상호작용이 있으면 진폭이 점차 줄어드는 감쇠된 진동으로 관측됩니다. 이 감쇠 시간에서 결어긋남 시간을 추출하는 것이 양자 소자 특성 평가의 표준 절차입니다.
주의할 점
페르미 황금률이 예측하는 일정한 전이율과 달리 라비 진동은 왕복 거동을 보이는데, 이는 최종 상태가 연속적인 띠가 아니라 뚜렷한 하나의 준위일 때 나타나는 결과입니다. 두 그림은 적용 조건이 달라 서로 모순되지 않습니다. 또 관측된 진동이 흐려지는 원인이 결어긋남 때문인지, 계마다 라비 진동수가 달라 평균이 상쇄된 것인지 구분해야 합니다.