58년만의 우연한 과학적 발견이 양자 컴퓨터 구축에 돌파구를 마련했다.

과학자들은 활용이 쉬운 전기장으로 원자 핵을 제어, 실리콘 마이크로 칩 트랜지스터 방식으로 큐비트를 제어할 수 있는 가능성을 제시했다.

호주 시드니의 뉴 사우스웨일즈대(University of New South Wales, UNSW) 연구팀은 1961년에 처음 제안 된 이후 잊혀졌던, 단일 원자의 핵을 제어해 핵 전기장(nuclear electric resonance)을 형성하는데 성공했다.

이 발견은 원래 화학 원소 안티몬(antimony, Sb)의 단일 원자에 대해 자기 공명을 수행하려고 시도하던 중 우연히 포착됐다. 핵은 특정 주파수에서 반응을 거부했지만 다른 반응에서는 강한 반응을 보였다.

연구 결과는 11일(현지시각) 네이처(Nature)에 발표됐다.

UNSW 양자공학과 안드레아 모렐로(Andrea Morello) 교수는 “이 발견은 우리가 현재 필요로하는 진동하는 자기장이 아닌 단일 원자 스핀을 사용해 양자 컴퓨터를 구축할 수 있는 경로가 있다는 것을 의미한다”며 “이 핵을 전기 및 자기장의 정밀한 정밀 센서로 사용하거나 양자 과학의 근본 질문에 답할 수 있다”고 말했다.

자기장 대신 전기로 핵 스핀(nuclear spin)을 제어할 수 있다는 것은 광범위한 결과를 초래한다. 자기장을 생성하려면 큰 코일과 높은 전류가 필요해 자기장을 매우 작은 공간으로 한정하기가 어렵다. 반면에, 전기장은 작은 전극의 끝에서 생성, 활용할 수 있다. 이를 통해 나노 전자 장치에서 개별 원자를 훨씬 쉽게 제어 할 수 있다.

실리콘 장치에서 123Sb 핵 스핀. a, 실험에 사용 된 실리콘 금속-산화물-반도체 장치 주사 전자 현미경 사진( False-colour). S, 소스; D, 배수; SET, 단일 전자 트랜지스터. b, 이온화 된 123Sb 공여자의 spin-7 / 2 핵의 에너지 수준 다이어그램. 자기장 (B0)은 Zeeman 분할 (녹색 대시)을 도입하고, 전기 사중 극자 상호 작용(Qxx)은 추가 에너지 이동(파란색 대시)을 일으킨다. c, Qxx의 함수로서 핵 스핀 전이 주파수. 0이 아닌 Qxx는 개별적으로 다루어 질 수 있는 7개의 핵 공명을 초래한다. NER에서는 mI = -1/2 ↔ +1/2 전이 (c에서 파란색 파선)가 금지된다. 측정 된 4중극분할 fQ = 66 kHz는 점선으로 표시된다. d, 실리콘 기판의 전단 변형은 a에서 주황색 점선 아래의 수직 단면에서 계산된다. credit:nature.

새로운 패러다임

모렐로 교수는 이번 발견이 의학, 화학 또는 광업과 같이 이질적인 분야에서 널리 사용되는 기술인 핵자기공명(Nuclear Magnetic Resonance)의 패러다임을 흔든다고 주장한다.

핵자기공명은 현대 물리학, 화학, 심지어 의학이나 광업에서 가장 널리 사용되는 기술 중 하나다. 광업의 암석 샘플 분석, 환자 신체 내부 촬영 등에 잘 작동하지만 특정 응용 분야에서는 자기장을 사용해 핵을 제어하고 감지하는 것이 불리 할 수 있다.

모렐로 교수는 “자기 공명을 수행하는 것은 전체 테이블을 들어 올려서 당구대에서 특정 공을 이동시키는 것과 같다. 전기 공명은 실제 당구대를 잡고 원하는 곳에 정확하게 공을 치는 것”이라고 설명했다.

1961년 자기 공명 선구자이자 노벨상 수상자 니콜라스 블로엠베르겐(Nicolaas Bloembergen)이 처음 제안한 전기장으로 핵 스핀을 제어 할 수 있는 방법을 찾는 데 오랜 시간이 걸렸다.

모렐로 교수는 “20년 동안 스핀 공명을 연구했지만 솔직히 핵 전기 공명에 대한 아이디어를 들어 본 적이 없다. 우리는 완전히 우연한 사고로 이 효과를 ‘재발견’ 했다. 핵 전기 공명의 모든 분야는 그것을 증명하려는 첫 번째 시도 후에 반세기 이상 동안 거의 휴면 상태에 있었다”고 말했다.

4 중 극자 상호 작용의 미시적 기원 a. Sb + 원자 근처의 원자가 전하 밀도 (금색)와 전하 밀도가 등가 인 16 개의 가장 가까운 Si 원자 (검정색) (빨간색). 도너의 양전하는 Sb + -Si 결합을 따라 비대칭 전하 밀도를 야기하지만, 변형 또는 외부 전기장이 없으면 123Sb 부위의 EFG는 대칭에 의해 사라진다. b, 전단 변형은 123Sb 핵에 인접한 Si 원자 및 공유 결합을 대체해 사중 극자 이동을 초래하는 EFG를 생성한다. c, 사중극자 분리 fQ, 밀도 기능 이론 계산과 유한 요소 시뮬레이션을 결합해 예측 . 커패시턴스 삼각 측량 및 도너 주입 프로파일에서 얻은 것처럼 블랙 컨투어는 도너 위치에 대한 68 % 및 95 % 신뢰 영역을 포함한다. d, 게이트 전압을 통해 인가 된 전기장은 전하 분포를 왜곡해 선형주파수편이(LQSE)와 코히어런트 스핀 전이(NER)를 발생시킨다. e, ΔmI = ± 1 (도트) 및 ΔmI = ± 2 (제곱) 전이에 대한 실험 결과와 비교해, 전기 EFG 변조(녹색 라인)에 의해 야기 된 NER Rabi 주파수의 계산. 모든 fRabi 값은 유한 요소 모델링 및 전자 구조 이론을 통해 계산된 단일 매개 변수 R14를 사용해 결정된다. 자유 피팅 매개 변수가 사용되지 않았다. credit:nature.

연구원들은 원래 안티몬(antimony)의 단일 원자, 즉 큰 핵 스핀을 갖는 원소에 대해 핵자기공명 연구를 수행하기 시작했다. 세르완 아사드(Serwan Asaad) 박사는 이 연구의 주 저자 중 한 명으로 “우리의 원래 목표는 핵 스핀의 혼란스러운 행동에 의해 설정된 양자 세계와 고전 세계의 경계를 탐구하는 것이었다. 이것은 순전히 호기심으로 활용을 염두에 둔 것이 아니었다”고 말했다.

주저자 빈세트 무리크(Vincent Mourik) 박사는”그러나 실험을 시작한 후에는 무언가 잘못되었다는 것을 깨달았다. 핵은 매우 이상하게 행동해 특정 주파수에서는 반응을 거부하지만 다른 반응에서는 강한 반응을 보였다”라며 “이것은 우리가 ‘놀라운 발견’임을 알게 되기까지 우리를 당황하게 했다. 자기 공명 대신 전기 공명을 하고 있다는 것을 깨달았다.”

아사드 박사는 “우리는 안티몬 원자와 특수 안테나를 포함하는 장치를 제작해 원자핵을 제어하기 위해 고주파 자기장을 생성하도록 최적화했다. 실험은 이 자기장이 상당히 강해야한다…안테나가 자기장이 아닌 강한 전기장을 생성하고 있었기 때문에 핵 전기 공명을 ‘재발견’한 것”이라고 덧붙였다.

credit:UNSW/Professor Andrea Morello, Dr Vincent Mourik and Dr Serwan Asaad.

전기장으로 핵을 제어할 수 있음을 확인한 연구진은 정교한 컴퓨터 모델링을 사용해 전기장이 정확히 핵의 스핀에 미치는 영향을 이해했다. 이 노력은 핵 전기 공명이 진정 국소적이고 미세한 현상이라는 것을 강조했다. 전기장은 핵 주위의 원자 결합을 왜곡해 스스로 방향을 바꾼다.

민간 ‘HRL연구소’ 물리학자 테데우스 라드(Thaddeus Ladd)는 이번 연구결과에 대해 “매우 중요하다. “이것은 잠재적으로 실리콘 핵 큐비트 게임을 바꿀 수 있다”고 사이언스 저널에서 밝혔다.

*논문

Coherent electrical control of a single high-spin nucleus in silicon