음파를 이용해 다이아몬드 양자 메모리를 연결하고 보호하다

다이아몬드 기반 양자 비트, 즉 큐비트(qubit)를 연구하는 연구자들이 두 가지 오래된 난제, 즉 여러 큐비트를 서로 연결하는 방법과 각 큐비트가 양자 정보를 너무 빨리 잃지 않도록 유지하는 방법에서 동시에 진전을 보고했습니다. TU Wien과 Harvard University의 한 연구팀은 시뮬레이션 계산을 통해, 미세한 기계적 진동이 다이아몬드 막대에 내장된 여러 결함들 사이에서 양자 정보를 전달할 수 있음을 보였습니다. 이는 여러 큐비트를 서로 연결하는 방향으로 나아가는 한 걸음입니다. 별도로, Harvard의 John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences 연구자들은 연속적인 기계적 진동을 이용해 다이아몬드 스핀 큐비트의 양자 상태를 보호하는 기술을 시연했고, 이를 통해 결맞음 시간(coherence time)을 약 3배 늘렸습니다. Nature Communications에 발표된 세 번째 연구는 기계 장치를 이용해 다이아몬드 칩에 물리적으로 변형력(strain)을 가했고, 이를 통해 스핀 큐비트의 결맞음 시간을 약 40나노초에서 약 4분의 1마이크로초로 늘릴 수 있음을 보였습니다.

이 세 연구는 모두 동일한 종류의 양자 시스템, 즉 다이아몬드 결정 구조 속에 규소 원자를 삽입해 만든 결함을 중심으로 합니다. 이러한 결함은 실리콘-공공 중심(silicon-vacancy center)이라 불리며, 전자의 상태에 양자 정보를 저장할 수 있을 뿐 아니라 빛 입자를 방출할 수도 있어, 멀리 떨어진 큐비트들을 연결하는 양자 네트워크의 후보로 꼽힙니다. TU Wien 연구팀이 표현했듯, 걸림돌은 복잡한 계산 작업을 수행할 만큼 충분한 수의 이러한 시스템을 서로 연결하기가 매우 어렵다는 점입니다. 세 편의 각기 다른 논문에 담긴 이번 새로운 결과들은 각각 기계적 진동을 이용해 이 걸림돌의 다른 부분을 다루고 있습니다.

실리콘-공공 중심은 다이아몬드 결정 격자에 내장된 스위치처럼 작동합니다. 마이크로파를 이용해 더 높은 에너지 상태와 더 낮은 에너지 상태 사이를 전환할 수 있으며, 어느 상태에 있는지가 하나의 양자 정보 조각을 저장합니다. TU Wien과 Harvard의 제안에서는 길이가 겨우 몇 마이크로미터에 불과한 다이아몬드 막대 안에 이러한 결함 여러 개를 하나씩 실처럼 꿴 구슬처럼 배열해 넣습니다. 이 막대는 소리굽쇠처럼 진동하도록 만들 수 있는데, 다만 그 진동이 너무 작아서 양자 이론으로만 설명할 수 있습니다. 이러한 규모의 음파는 포논(phonon)으로 이루어져 있는데, 이는 빛이 광자(photon)로 이루어져 있는 것과 마찬가지로 기계적 진동의 가장 작은 단위입니다.

연구자들의 계산에 따르면, 마이크로파로 규소 원자를 켜고 끄는 과정에서 이러한 포논이 방출되거나 흡수되며, 이로 인해 서로 떨어진 결함들 사이에 양자 연결이 형성되어 정보를 전달하는 데 쓰일 수 있습니다. 이는 자명한 결과가 아니었습니다. 포논은 보통 주변 환경에 흡수되거나 환경과 접촉하면서 양자적 성질을 잃을 것으로 예상되며, 이 때문에 TU Wien 연구자들은 포논을 평소 '양자 정보의 적'이라고 표현합니다. 이들의 계산에 따르면, 마이크로파로 세심하게 제어할 경우 포논은 오히려 손실되는 대신 유용하게 활용될 수 있습니다. Harvard SEAS의 연구는 같은 물리적 그림을 바탕으로 하며, 이런 방식으로 구축된 네트워크에서 포논이 두 가지 역할을 동시에 수행한다고 설명합니다. 즉 큐비트들 사이에서 양자 정보를 전달하는 역할과, 다음 절에서 설명하듯 저장된 정보를 보호하는 역할입니다.

정보를 저장하는 것은 그것이 읽어낼 수 있을 만큼 충분히 오래 살아남을 때만 유용하며, 다이아몬드 스핀 큐비트는 보통 주변 환경에 의해 빠르게 교란됩니다. Nature Communications 연구에서 연구자들은 한쪽 끝이 고정된 작은 다이빙보드 형태의 다이아몬드 캔틸레버(cantilever)를 만들고, 위아래에 전극을 배치했습니다. 전압을 가하면 캔틸레버가 휘면서 내장된 실리콘-공공 결함 주변의 다이아몬드 격자가 늘어나고, 이러한 변형력, 즉 스트레인(strain)이 결함 내부 상태 사이의 에너지 간격을 바꿉니다. 이 간격을 주변 결정 속에서 이용 가능한 열에너지보다 훨씬 크게 밀어 올리면, 결함을 교란할 수 있는 공명 포논을 결함이 얻지 못하게 되며, 연구자들은 이러한 억제 효과 덕분에 큐비트의 결맞음 시간이 약 40나노초에서 0.25마이크로초로 개선되었음을 확인했습니다.

Harvard SEAS 연구팀은 같은 목표에 다른 경로로 접근했습니다. 큐비트를 환경과 분리하는 데 통상적으로 쓰이는 마이크로파 펄스는 진동을 가두는 데 쓰이는 포논 공진기(phononic cavity) 내부에서는 잘 작동하지 않기 때문에, 이들은 대신 포논으로 이루어진 연속적인 기계적 구동장(driving field)을 큐비트에 직접 가했습니다. 이는 큐비트를 연구자들이 '드레스드(dressed)' 상태라고 부르는 상태로 전환시키는데, 이 상태는 연구자들의 표현대로 연속적인 음향장을 '입고' 있기 때문에 주변의 느리게 변하는 잡음에 덜 민감합니다. 이 보호 효과는 마이크로파가 아닌 기계적인 장에서 비롯되므로, 훗날 고정된 큐비트들을 네트워크로 연결하는 데 쓰일 것과 동일한 포논 공진기 구조 안에서도 작동하며, 연구팀은 이를 통해 실리콘-공공 스핀의 결맞음 시간을 약 3배 늘렸다고 보고합니다.

TU Wien과 Harvard의 다이아몬드 막대를 통한 다중 큐비트 연결 제안은 현재로서는 실제로 제작된 장치가 아니라 시뮬레이션 계산에 기반하고 있습니다. 따라서 이는 작동하는 다중 큐비트 네트워크라기보다는, 이 접근법이 작동할 수 있다는 이론적 시연에 머물러 있습니다. 스트레인 조절 실험에서 보고된 결맞음 시간은 여전히 1마이크로초에 못 미치는 수준이었고, 포논 흡수 및 방출 속도 측정은 사용된 펌프-프로브(pump-probe) 기법이 적용 가능한 제한된 범위의 궤도 분裂(orbital splitting) 값에 국한되었습니다. Harvard SEAS의 결맞음 보호 기술 역시 결맞음 시간을 약 3배 늘리는 데 그쳤으며, 연구자들은 이 결과를 해결된 문제로서가 아니라, 연속적인 기계적 잡음 억제가 실제 장치에서 결맞음 시간을 늘릴 수 있음을 보여주는 것으로 설명하고 있습니다.