Minute-long quantum coherence enabled by electrical depletion of magnetic noise

기술 요약: 전기적 고갈을 통한 자기 노이즈 억제 및 분 단위의 양자 결맞음 구현

문제 정의
실리콘 카바이드(SiC)와 같은 고체 상태 스핀 결함은 스핀-광자 인터페이스와 핵 스핀 메모리에 대한 접근성 덕분에 양자 통신 및 센싱을 위한 유망한 플랫폼입니다. 그러나 이들의 유용성은 호스트 매트릭스 내의 결함과 불순물로부터 발생하는 통제되지 않은 전기적 및 자기적 노이즈에 의해 제한되는 경우가 많습니다. 동위원소 정제 및 성장 최적화와 같은 재료 공학적 전략이 이러한 노이즈원을 줄여왔으나, 이를 완전히 제거하지는 못합니다. 결과적으로, 기존의 접근 방식들은 잔류 노이즈를 완화하기 위해 복잡한 해밀토니안 엔지니어링(디커플링 시퀀스)에 의존하는 경우가 많으며, 이는 양자 프로토콜을 방해할 수 있습니다. 따라서 재료의 완벽함에만 의존하지 않고, 장치 구조 내에서 전기적 및 자기적 노이즈를 in situ(현장)에서 능동적으로 억제하여 기록적인 결맞음 시간을 달성할 수 있는 방법이 필요합니다.

연구 방법론
저자들은 중성 디바카시($VV^0$) 스핀 결함이 삽입된 동위원소 정제된(99.85% $^{28}$Si, 99.98% $^{12}$C) 4H-SiC p-i-n 다이오드의 바이어스 제어 영향을 조사했습니다. 실험 설정은 다음과 같습니다:

• 장치 구조: 4° 오프-액시스 n형 기판 위에 제작된, 결함이 포함된 내재 영역(intrinsic region)을 가진 커스텀 성장 p-i-n 다이오드.
• 전기적 튜닝: 연구팀은 다이오드에 바이어스 전압을 가하여 순방향 바이어스에서 역방향 바이어스로 전환하였으며, 특히 전계가 결함 근처의 전하 운반체와 트랩을 고갈시키는 공핍(depletion) 영역을 타겟팅했습니다.
• 광학적 특성 분석: 공명 광루미네선스 들뜸(PLE)을 사용하여 $VV^0$ 방출의 스타크 이동(Stark shifts)과 광학적 선폭을 측정했습니다.
• 스핀 결맞음 측정:
  • 전자 스핀: 다양한 바이어스 조건 하에서 $VV^0$ 전자 스핀($S=1$)의 디페이징 속도($T_2^*$ 및 $T_2$)를 측정하기 위해 Ramsey 및 Hahn echo 시퀀스를 수행했습니다. 자기 노이즈 기여도를 분리하기 위해 이중 양자(Double-quantum, DQ) Ramsey 측정이 활용되었습니다.
  • 핵 스핀: 인접한 $^{29}$Si 핵 스핀($I=1/2$)을 식별하고, 전자 스핀에 대한 동적 디커플링(XY8 시퀀스)을 통해 이를 결맞게 제어했습니다. 핵 스핀은 초기화되었고, 조작되었으며, 스핀-전하 변환(SCC)을 통해 $VV^0$를 통해 읽혔습니다.
  • 장기 안정성: 느린 노이즈 역학 및 핵 스핀 이완($T_1$)을 관찰하기 위해 확장된 Ramsey 측정(최대 22.5시간)이 수행되었습니다.

주요 기여 및 결과

1. 전기적 및 자기적 노이즈의 동시 고갈: 본 연구는 SiC p-i-n 다이오드를 역방향 바이어스 공핍 영역(특히 -80 V에서)에서 작동시키는 것이 전기적 및 자기적 노이즈원을 모두 유의미하게 감소시킨다는 것을 입증했습니다.

   • 광학적 개선: $VV^0$의 광학적 선폭은 제로 바이어스에서의 ~80 MHz에서 공핍 영역에서의 18(1) MHz로 좁아졌으며, 이는 자연 선폭 한계에 근접한 수치입니다.
   • 전자 스핀 결맞음: 전자 스핀 Ramsey 결맞음 시간($T_2^*$)은 약 50% 증가하여 320(30) $\mu$s가 되었고, Hahn echo 시간($T_2$)은 25% 개선되어 1.9(1) ms가 되었습니다. 이중 양자 Ramsey 측정은 이러한 개선이 단순히 전기적 노이즈가 아닌 자기 노이즈의 감소에 의해 구동됨을 확인시켜 주었습니다.
   • 자기 노이즈의 기원: 저자들은 자기 노이즈 감소를 결함 근처의 상자성 전하 트랩(질소 불순물 및 탄소 공석 등)이 전기적으로 고갈되어 스핀이 없는 전하 상태로 전환된 것에 의한 것으로 설명합니다.

2. 기록적인 핵 스핀 결맞음: 감소된 자기 노이즈 환경과 "프로즌 코어(frozen core)" 효과(여기서 $m_s = -1$ 상태의 전자 스핀이 주변 스핀으로의 편극 전달을 억제함)를 활용하여, 저자들은 단일 $^{29}$Si 핵 스핀에 대해 전례 없는 결맞음 시간을 달려냈습니다.

   • 이완: 핵 스핀 이완 시간($T_1$)은 공핍 영역에서 두 배로 증가했습니다.
   • Ramsey 결맞음: 전자 스핀이 $m_s = -1$ 상태로 준비되었을 때 핵 스핀 $T_2^*$는 690(40) ms에 도달했습니다.
   • Hahn Echo 결맞음: 가장 주목할 점은, 핵 스핀 Hahn echo 결맞음 시간($T_2$)이 105초(99% 신뢰 구간)의 하한값을 기록했다는 것입니다. 이는 현재까지 보고된 단일 스핀(고체 상태, 원자 또는 이온)의 결맞음 시간 중 가장 긴 기록입니다.

3. 스케일링 법칙: 저자들은 핵 스핀 Ramsey 시간의 향상이 이완 시간 향상의 제곱근과 상관관계가 있다는 스케일링 관계($T_2^*/T_2^* \approx \sqrt{T_1/T_1}$)를 관찰하였으며, 이는 디페이징과 이완이 동일한 약하게 상호작용하는 자기 불순물 앙상블에서 기인한다는 미시적 스핀-배스 모델과 일치합니다.

의의
본 논문은 재료 제어와 전자 소자 엔지니어링의 통합이 얼마나 중요한지를 보여준다고 주장합니다. 단순한 반도체 다이오드 구조를 사용하여 in situ로 노이즈원을 고갈시킴으로써, 저자들은 재료 성장 최적화만으로는 도달할 수 없는 한계를 넘어섰습니다. 이 접근 방식은 다음을 가능하게 합니다:

• 기록적 결합력: 복잡한 동적 디커플링 시퀀스나 특정 클락 전이 지점 없이도 고체 상태 핵 스핀에 대해 분 단위의 결맞음 시간을 달성합니다.
• 확장성: 이미 고전 전력 전자 산업에서 성숙한 웨이퍼 규모의 SiC 플랫폼 상에서 고전적 전자 제어를 양자 광전자 공학과 통합할 수 있는 경로를 제공합니다.
• 양자 네트워킹: 엔지니어링된 장치 내에서 광학적 및 스핀 특성을 보존함으로써, 매우 결맞은 양자 노드 및 네트워크를 구축할 수 있는 토대를 마련하며, 나노 구조에서 흔히 나타나는 특성 저하 문제를 극적으로 해결할 수 있는 가능성을 제시합니다.

이 연구는 국부 환경에 대한 능동적인 전기적 엔지니어링이 고체 상태 큐비트 성능을 향상시키는 강력한 도구임을 보여주며, 고충실도 양자 정보 처리 및 센싱을 위한 길을 열어줍니다.