빛으로 10만 개 핵 양자 비트에서 단일 양자 정보 감지

핵 앙상블에서 일관된 단일 스핀 여기 양자 감지

과학자들은 빛과 단일 전자로 고밀도 핵 구름에서 단일 큐비트(qubit)를 감지할 수 있는 방법을 발견했다.

영국 캠브리지 대학( University of Cambridge) 연구원들은 10만 개의 핵에 매우 취약한 양자 정보를 주입할 수 있었다. 레이저를 사용해 전자를 제어한 후 연구원은 그 전자를 사용, 양자 구름 동작을 제어해 양자 비트(quantum bit, qubit)를 더 쉽게 찾을 수 있다. 그들은 1.9ppm의 정밀도로 양자 비트를 감지할 수 있었다.

이 기술을 사용하면 매우 취약한 양자 정보를 광학적으로 핵 시스템에 전송해 저장하고 최소한의 방해로 그 정보를 확인할 수 있다. 이는 양자 광원 기반 양자 인터넷 개발의 중요한 단계다.

연구결과(Quantum sensing of a coherent single spin excitation in a nuclear ensemble)는 2월 15일(현지시각) 네이처 피직스(Nature Physics) 저널에 게재됐다.

아 원자 입자의 이상한 행동을 이용하여 가장 강력한 슈퍼 컴퓨터를 능가하는 양자 컴퓨터가 기대를 모으고 있다. 그러나 잠재력을 최대한 활용하려면 양자 인터넷이라는 네트워크 방식이 필요하다. 양자 정보를 전송하는 빛의 채널은 양자 인터넷에 대한 유망한 후보이며 현재 반도체 양자점보다 더 좋은 양자 광원은 없다. 본질적으로 인공 원자인 작은 결정이다.

그러나 양자점과 양자 인터넷을 가로막는 한 가지는 네트워크를 따라 특정 지점에 일시적으로 양자 정보를 저장하는 기능이다.

연구를 주도한 케임브리지 캐번디시 연구소(Cavendish Laboratory)의 메테 아타튀르(Mete Atatüre) 교수는 “이 문제에 대한 해결책은 각 양자점이 포함하는 10만개의 원자핵 구름 속에 그것을 건초 더미의 바늘처럼 숨겨서 깨지기 쉬운 양자 정보를 저장하는 것이다…하지만 우리가 비트로 통신하는 것처럼 이러한 핵과 통신하려고 하면 무작위로 ‘플립’되어 시끄러운 시스템을 생성하는 경향이 있다”고 설명했다.

양자점에 포함된 큐비트 구름은 일반적으로 집합적 상태로 작동하지 않으므로 정보를 가져 오거나 빼는 것이 어렵다. 연구팀은 2019년에 빛을 사용하여 초저온으로 냉각될 때 이러한 핵을 집합적 상태로 만들어 시스템의 소음을 크게 줄일 수 있음을 보여주었다.

이제 그들은 핵에 양자 정보를 저장하고 검색하는 또 다른 근본적인 단계를 보여주었다. 10만 개의 핵의 집합적 상태를 제어함으로써 그들은 1.9ppm의 초고 정밀도로 ‘플립된 양자 비트’로서 양자 정보의 존재를 감지할 수 있었다. 핵의 구름에서 단일 비트 플립을 볼 수 있을 만큼 충분하다.

Atatüre는“기술적으로는 매우 까다로운 작업이다. 우리는 (핵) 구름과 ‘대화’할 방법이 없고 구름은 우리와 대화 할 수있는 방법이 없다. 그러나 우리가 말할 수있는 것은 전자다. 우리는 양을 떼어 놓는 (양몰이) 개처럼 전자와 통신할 수 있다”고 말했다.

연구진은 레이저의 빛을 사용하여 전자와 통신할 수 있으며, 전자는 핵의 고유 각운동량 또는 스핀과 통신한다.

전자와 통시함으로써, 혼란스러운 스핀의 앙상블이 냉각되고 제어 전자 주위로 집결하기 시작한다. 더 정돈된 상태에서 전자는 핵에 스핀파를 만들 수 있다.

Atatüre는 “스핀 구름이 무작위로 움직이는 100 마리의 양 무리를 상상하면 갑자기 방향을 바꾸는 양 한 마리를 보기가 어렵다. 하지만 전체 무리가 잘 정의된 파도처럼 움직이면 양 한 마리가 방향을 바꾸는 것이 매우 눈에 띄게된다”고 설명했다.

즉, 단일 핵 스핀 플립으로 이루어진 스핀 웨이브를 앙상블에 주입하면 10만 개의 핵 스핀 중 단일 핵 스핀 플립을 더 쉽게 감지할 수 있다.

이 기술을 사용해 연구원들은 양자 역학에 의해 설정된 근본적인 한계까지 최소한의 교란으로 양자 비트에 정보를 보내고 스핀 정보를 확인한다.

공동 제 1 저자인 케번디시 연구소 다니엘 젝슨(Daniel Jackson) 박사는 “이 거대한 핵 앙상블에 대해 이 제어 및 감지 기능을 활용한 다음 단계는 핵 스핀 레지스터에서 임의의 양자 비트의 저장 및 검색을 시연하는 것”이라고 말했다.

연구팀에 따르면 이 단계는 양자 인터넷을 실현하기 위한 주요 빌딩 블록인 빛에 연결된 양자 메모리를 완성할 수 있다. 미래 양자 인터넷에 대한 잠재적 사용 외에도 이 기술은 고체 양자 컴퓨팅의 개발에도 유용할 수 있다.