양자 컴퓨팅은 복잡한 정보를 처리하기 위해 양자 비트(quantum bits)라는 작은 입자의 에니그마틱한 속성을 활용한다. 그러나 양자 시스템은 깨지기 쉽고 오류가 발생, 유용한 양자 컴퓨터는 아직 실현되지 않았다.

양자 컴퓨터는 다른 응용 분야 중에서도 초전도, 암호화, 인공지능(AI)의 메커니즘을 이해하는 데 사용될 수 있다.

오키나와 과학기술대학원 대학교(OIST)의 양자역학 유닛(Quantum Dynamics Unit) 연구원들은 전자가 양자 상태로의 전이를 감지하기 위해 이미지 전하 감지(image charge detection)라는 새로운 방법을 고안했다. 전자는 양자 정보의 가장 작은 단위 양자 비트(qubit)로 기능할 수있다.

연구 수석저자 에리카 카와카미 (Erika Kawakami) 박사는 “작은 양자 비트를 제어하는 것과 양자 컴퓨터를 만드는 것 사이에는 큰 차이가있다”며 “현재 최신 큐비트의 경우, 양자 컴퓨터는 풋볼 필드의 크기여야 한다. 우리의 새로운 접근 방식은 잠재적으로 10센티미터 칩을 만들 수 있다”고 말했다.

논문은 편집자 제안과 함께 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 발표됐다.

헬륨 전자

전자는 큐비트로서 기능하기 위해 고정화 될 필요가있다. 그렇지 않으면 그들은 자유롭게 움직인다. 전자 캡처 시스템을 만들기 위해 연구원들은 저온에서 액화되는 액체 헬륨을 기판으로 사용했다. 헬륨은 불순물이 없기 때문에, 이들 전자는 다른 물질보다 양자 상태를 더 오래 유지할 것으로 예상되는데, 이는 양자 컴퓨터를 실현하는데 중요하다.

데니스 콘스탄티노프(Denis Konstantinov) 교수와 협력 연구자 가와카미(Kawakami)와 아셈 엘라라비(Asem Elarabi) 박사는 0.2 켈빈 (-272.8도)으로 냉각되고 응축된 액체 헬륨으로 채워진 구리 전지 안에 평행-판 축전기를 배치했다. 텅스텐 필라멘트에 의해 생성된 전자는 두 개의 축전기 판( capacitor plate) 사이에서 액체 헬륨의 표면 위에 머물렀다.

그 후, 구리 전지에 도입된 마이크로파 방사선은 전자의 양자 상태를 여기시켜, 전자가 하부 축전기 판로부터 멀어지고 상부 판에 더 가깝게 한다 . 연구원들은 이미지 전하라고 하는 정전기 현상을 관찰함으로써 양자 상태의 여기를 확인했다. 거울에서의 반사와 같이, 이미지 전하는 전자의 움직임을 정확하게 반영한다.

전자가 커패시터 판으로부터 더 멀리 이동하면, 이미지 전하가 그와 함께 이동한다. 앞으로 연구원들은 이 이미지 전하 검출을 사용해 양자 시스템의 무결성을 방해하지 않으면서 개별 전자의 스핀 상태 또는 양자 궤도 상태를 측정하려한다.

콘스탄티노프 교수는 “현재 많은 전자의 앙상블의 양자 상태를 감지 할 수 있다. 이 새로운 방법의 장점은 이 기술을 단일 전자로 축소해 양자 비트로 사용할 수 있다는 것”이라고 말했다.

*저널 레퍼런스

Erika Kawakami, Asem Elarabi, Denis Konstantinov. Image-Charge Detection of the Rydberg States of Surface Electrons on Liquid HeliumPhysical Review Letters, 2019; 123 (8) DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.086801