다이아몬드 양자 메모리, 양자 네트워크 노드 활용 가능성

독일 울름대학(Ulm University) 연구팀은 최근 다이아몬드 내 게르마늄 공극 (Germanium vacancy, GeV) GeV) 을 이용하여 양자 메모리를 구현했다. Physical Review Letters 저널에 실린 논문에 따르면 이 양자 메모리는 20ms 이상의 뛰어난 결맞음(coherent) 시간을 보였다.

다이아몬드 컬러 센터(color centers of diamond)는 양자 연구의 초점이 되고 있다. 특히 음전하를 띄는 그룹 4 원소 결함은 효율적인 스핀-광자 인터페이스(spin-photon interface)를 보여주기 때문에 양자 네트워크의 노드로 활용 가능성이 높다.

논문 공동 저자인 카타리나 센칼라(Katharina Senkalla) 연구팀은 주로 다이아몬드 컬러 센터를 양자 응용 분야에 활용하는 연구에 중점을 두고 있다. 그는 “현재까지 가장 잘 알려진 결함은 질소 공극이었지만 최근 다른 컬러 센터 도 연구 대상이 되고 있다. 이들은 주기율표 그룹 4 원소인 Si, Ge, Sn 또는 Pb와 격자 공극(이웃 탄소 원자가 없는 경우)으로 구성돼 있다”고 말했다.

그룹 4 색 중심은 기존에 사용되던 질소 공극보다 훨씬 강한 0-포논 선(zero-phonon line) 방출을 보인다. 또한 이들의 반전 대칭은 나노 광자 소자에 통합하기에 적합하여 솔리드 스테이트 단일 광자 소스를 기반으로 하는 효율적인 확장 가능한 양자 네트워크 구축에 중요한 단계다.

센칼라는 “연구 목표는 장거리 양자 통신과 분산 양자 컴퓨팅을 용이하게 하는 양자 네트워크 개발에 큰 기여를 하는 것”이라며 “양자 네트워킹 분야에서 중요한 요소는 효율적인 스핀-광자 인터페이스와 확장된 메모리 시간을 요구하는 양자 네트워크 노드”라고 말했다.

울름대학 연구팀은 몇 년 동안 그룹 4 결함을 양자 네트워크 노드 후보로 활용할 가능성을 연구해 왔으며 최근 GeV 중심에 중점을 두었다. 이 특정 결함은 결맞음 광자 플럭스(coherent flux of photons)로 특징 지어지는 스핀-광자 인터페이스에서 고유한 효율성을 가지고 있다.

이러한 결맞음 광자 플럭스는 장거리 양자 통신을 효과적으로 수행하는 데 중요한 요소다. 그럼에도 불구하고 4족 다이아몬드 결함을 사용한 양자 시스템 구현에는 다양한 문제를 극복해야 한다.

센칼라는 “이러한 결함은 결맞음 및 메모리 시간에 영향을 미치는 포톤 매개 완화로 인해 확장된 메모리 시간과 관련된 난관에 직면한다. 최근 연구는 이 중요한 문제 해결에 중점을 두고 있으며 견고한 양자 네트워크 노드 개발을 추진하고 있다”고 설명했다.

울름 연구팀은 GeV의 메모리 시간을 20ms라는 기록적인 값으로 끌어 올리기 위해 초저온에서 작업했다.

센칼라와 그녀의 동료들이 개발한 시스템은 GeV를 양자 메모리 요소로 사용한다. 연구팀은 4족 결함 기반 양자 시스템 개발 과정에서 일반적으로 발생하는 문제를 극복하기 위해 이중 전략을 사용했다.

이 전략의 첫 번째 부분은 양자 정보에 포논의 부정적인 영향을 완화하는 것을 목표로 한다. 실제로 그룹 4 결함(group IV defects)은 양자 정보를 파괴할 수 있는 포논과 쉽게 결합할 수 있다.

이 문제를 극복하기 위해 연구팀은 IBM 양자 컴퓨팅 실험과 같은 정교한 양자 컴퓨팅 실험에 널리 사용되는 정교한 장치인 희석 냉동기(Dilution Refrigerator, DR)를 활용했다.

접근 방식의 두 번째 부분은 스핀 잡음으로부터의 분리와 정보 저장 최적화를 다루고 있다. 이렇게 낮은 온도 범위에서 작동하면 스핀 잡음이 결어긋남(decoherence)의 주요 요인으로 밝혀졌다. 메모리 시간을 연장하고 양자 정보를 보호하기 위해 연구팀은 마이크로파 펄스와 계산 작업이 수행될 수 있는 전략적으로 선택된 시간 간격으로 세심한 스핀 재초점을 구현했다.

연구원들은 두 실험 모두에서 제안된 양자 메모리를 테스트했습니다.

Senkalla와 동료들이 양자 메모리를 개발할 때 고려해야 할 또 다른 측면은 모든 제어 펄스에 도입되는 열 부하를 관리하는 것이었다. 실제로 희석냉동기는 냉각 용량이 제한되어 있으며, 이 제한된 용량을 초과하면 온도가 상승하여 포논 생성이 촉진되어 결과적으로 결맞음이 발생할 수 있다.

센칼라는 “시스템의 역학을 포착하는 잡음 모델링 기술인 Ornstein-Uhlenbeck 프로세스를 사용하여 최적화된 펄스 시퀀스를 개발했다”며 “Ornstein-Uhlenbeck 시뮬레이션은 노이즈 역학에 대한 중요한 통찰력을 제공하여 스핀 재초점, 계산 간격 및 실험적 열 부하 관리의 균형을 섬세하게 유지하는 시퀀스를 찾을 수 있게 했다”고 말했다.

다가오는 연구에서 연구원들은 GeV를 나노광자 공동에 통합하는 동시에 주변 핵 스핀도 다룰 계획이다. 이 두 단계는 모두 양자 네트워크의 확장에 중요하다.

Senkalla는 “이 단계 중 첫 번째 단계는 광자 속도를 향상시켜 결맞음 속도를 향상시키고, 후자는 내결함성 양자 컴퓨팅을 달성하기 위한 중요한 단계인 양자 오류 수정 프로토콜의 구현을 가능하게 한다”고 덧붙였다.