과학자들이 실리콘의 스핀 궤도 큐비트의 양자 정보 유지 시간을 1만 배 이상 연장하는데 성공했다.

스핀-궤도 큐비트는 먼 거리에서 조작하고 결합하기 쉽기 때문에 양자 컴퓨터에서 큐비트 수를 확장하는 옵션으로 10년 이상 연구됐다. 그러나 다른 양자 기술에 비해 짧은 결맞음(coherence) 시간이 문제였다.

네이처 머티어리얼스(Nature Materials)에 20일 발표된 연구에 따르면 스핀-궤도 커플링이 충분히 강할 때 긴 결맞음 시간을 갖는다. 실제로 과학자들은 스핀-궤도 큐비트 이전 기록 보다 1만 배 더 긴 결맞음 시간을 보여 실리콘 양자 컴퓨터를 확장하는 데 이상적인 후보가 됐다.

연구팀을 이끈 CQCCT(Centre for Quantum Computation and Communication Technology)의 수석 조사관 스벤 로게(Sven Rogge) 교수는 “우리는 매우 긴 일관성 시간(약 10밀리 초)을 보여줌으로써 기존의 지혜를 뒤집어 놓았다. 따라서 스핀 궤도 큐비트는 매우 견고할 수 있다”고 말했다.

강력한 커플링이 핵심 큐비트의 안정성은 양자 정보를 보존할 수 있는 시간 길이를 결정한다. 스핀-궤도 큐비트에서 정보는 전자의 스핀과 칩 격자에서 원자를 ‘궤도’ 운동하는 방법에 저장된다. 이 두 스핀 사이의 결합 강도는 큐비트를 안정적으로 유지하고 장치의 전기 노이즈에 의해 파괴되는 경향이 적다.

호주 UNSW에서 연구를 수행하고 있는 저자 도호쿠 대학 고바야시 타카시 박사는 “대부분의 스핀궤도 큐비트의 양자 정보는 매우 취약하다. 우리의 스핀 궤도 큐비트는 그 안에 저장된 양자 정보가 매우 강력하기 때문에 특별하다. 정보는 스핀뿐만 아니라 전자의 스핀과 궤도의 방향으로 저장된다. 전하 궤도 전자와 스핀의 원형 궤도는 스핀 궤도 결합에서 매우 강한 인력으로 인해 기어처럼 서로 고정된다. 스핀-궤도 커플링의 강도를 높이면 오늘 발표한 일관성 시간이 훨씬 길어진다”고 말했다.

긴 결맞음 시간

결맞음 시간을 늘리기 위해 연구진은 먼저 실리콘 결정에 새로운 원자(adceptor dopant atoms)를 도입해 스핀 궤도 큐비트를 만들었다. 그런 다음 팀은 칩의 실리콘 격자 구조의 변형을 수정해 다양한 수준의 스핀 궤도 결합을 생성했다.

고바야시는 “결정은 핵 스핀없이 실리콘의 동위 원소만을 포함하기 때문에 특별하다. 이것은 자기 노이즈를 제거하고, 전기 노이즈에 대한 변형 감도도 감소 된다. 새 칩은 저온에서 고무 밴드와 같이 실리콘을 펼치는 재료에 고정됐다. 격자를 올바른 장력으로 늘리면 스핀 궤도 커플링을 최적의 값으로 조정할 수 있었다”고 설명했다.

그 결과 스핀-궤도 큐비트에서 이전보다 1만 배 이상 긴 결맞음 시간을 생성했다. 이는 양자 정보가 훨씬 오래 보존돼 더 많은 작업이 수행될 수 있음을 의미한다. 양자 컴퓨터를 확장하는 데 중요한 단계다.

스핀 궤도 커플링

양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 성능이 뛰어나기 위해서는 복잡한 계산을 수행하기 위해 많은 큐비트가 함께 작동해야 한다.

CQC2T에서 연구하고 현재 브리티시 컬럼비아대(University of British Columbia) 전자컴퓨터공학과 교수인 공동 연구자 조 샐피(Joe Salfi)는 “전기장에 대한 스핀 궤도 큐비트의 안정성은 독보적이며, 확장 가능한 양자 컴퓨터를 만들 수 있는 강력한 새로운 경로를 제공한다”고 말했다.

이 발견은 궁극적으로 훨씬 더 먼 거리에서 개별 큐비트를 조작하고 큐비트를 결합하는 새로운 방법을 가능하게 해 칩 제조 공정을 더욱 유연하게 만든다. 전기적 상호 작용은 또한 다른 양자 시스템에 결합해 하이브리드 양자 시스템의 전망을 열어준다.

로게 교수는 “실리콘의 스핀은 현재 컴퓨터 처리 기술과 안정적이고 호환 가능하기 때문에 확장 가능한 양자 정보 장치에 매우 매력적이다. 긴 결맞음 시간을 제시한 스핀 궤도 큐비트는 실리콘의 대규모 양자 프로세서에 대한 강력한 후보”라고 밝혔다.

* Engineering long spin coherence times of spin–orbit qubits in silicon, Nature Materials (2020). DOI: 10.1038/s41563-020-0743-3