All-mechanical coherence protection and fast control of a spin qubit

양자 인터넷을 구축하려는 여정에서, 과학자들은 아주 작은 정지형 컴퓨터들 사이에서 섬세한 정보를 손실 없이 이동시킬 방법을 찾고 있습니다. 큐비트라고 불리는 이 컴퓨터들은 종종 전자의 스핀—데이터를 저장하는 일종의 작은 내부 나침반 바늘 역할을 하는 성질—에 의존합니다. 문제는 이 바늘들이 믿기지 않을 정도로 민감하다는 점입니다. 주변 환경의 아주 작은 진동이나 자기적 속삭임조차 정보를 뒤섞어 컴퓨터가 수행하던 작업을 잊게 만들 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 연구자들은 오랫동안 메시지를 전달하기 위해 빛, 즉 광자를 주목해 왔습니다. 하지만 빛은 많은 공간을 차지하며 스스로 간섭하기 쉽습니다. 더 컴팩트한 대안은 고체 물질을 통해 이동하는 소리 또는 진동의 입자인 포논(phonon)입니다. 음파는 빛의 파장보다 훨씬 작고 이동하는 물질과 강하게 상호작용하기 때문에, 단일 칩 위에 조밀하고 효율적인 네트워크를 구축할 수 있는 유망한 경로를 제공합니다. 그러나 소리를 메신저로 사용하기 위해서, 과학자들은 먼저 소음으로부터 정지형 큐비트를 보호하는 동시에 소리를 사용하여 이를 제어할 수 있음을 증명해야 했습니다. 이는 큐비트를 보호하는 데 사용되는 방법과 큐비트와 대화하는 데 사용되는 방법이 서로 충돌하는 것처럼 보였기에 거의 불가능해 보였던 과제였습니다.

하버드 대학교와 시카고 대학교의 연구팀은 다이아몬드 결정 내의 실리콘 공석(silicon vacancy)이라고 불리는 특정한 유형의 결함을 사용하여 이 섬세한 균형을 달ante할 수 있는 방법을 시연했습니다. 실험에서 그들은 무작위적인 열 진동을 얼려버리기 위해 초저온 냉장고 안에 단일 다이아몬드 칩을 배치했습니다. 이 다이아몬드 위에 연구진은 전기 신호를 기계적 파동으로 변환하는 스피커 역할을 하는 인터디지털 트랜스듀서(interdigital transducers)라는 미세한 금속 손가락들을 구축했습니다. 연구진이 이 스피커에 특정 마이크로파 신호를 보내자, 다이아몬드 표면을 가로지르는 연속적인 음파의 흐름이 생성되었습니다. 이 파동은 단순히 실리콘 공석을 지나치는 것이 아니라, 전자의 스핀의 자연 주파수와 일치하는 정밀한 리듬에 맞춰 결정 격자를 흔들었습니다. 이 지속적인 흔들림은 전자를 위한 새로운 안정적인 상태를 만들어냈으며, 결과적으로 주변 환경의 혼란스러운 자기적 소음으로부터 전자를 효과적으로 보호했습니다.

연구진은 이 기계적 장(field)을 활성화된 상태로 유지함으로써, 전자가 정보를 보유하는 시간을 장(field)이 꺼져 있을 때보다 3배 이상 연장할 수 있다는 것을 발견했습니다. 보호되지 않은 조용한 상태에서 전자의 메모리는 사라지기 전까지 약 680나노초 동안 지속되었습니다. 지속적인 기계적 보호가 있을 때, 이 시간은 2마이크로초 이상으로 늘어났습니다. 이 보호 기능은 지속적인 흔들림이 전자를 통상적으로 오류를 일으키는 느리고 표류하는 자기적 변동에 덜 민감하게 만들었기 때문에 작동했습니다. 결정적으로, 연구팀은 동일한 기계적 파동을 사용하여 이 보호된 전자에 정보를 읽고 쓸 수 있음을 보여주었습니다. 그들은 전자의 상태를 뒤집기 위해 두 번째의 더 약한 소리 펄스를 사용했고 레이저를 통해 어떤 일이 일는지 관찰했습니다. 이는 전자가 소음으로부터 보호받는 동시에 소리로 제어될 수 있음을 입증했으며, 이러한 조합은 이전에 포논 기반 네트워크를 구축하는 데 있어 주요한 장애물이었습니다.

메모리를 보호하는 것을 넘어, 연구팀은 이 방법이 믿기지 않을 정도로 빠른 제어를 가능하게 한다는 것을 발견했습니다. 그들은 전자의 스핀을 초당 8억 번의 속도로 앞뒤로 움직일 수 있었는데, 이는 이 유형의 시스템에서 새로운 기록을 세우는 속도입니다. 이러한 빠른 전환은 정보가 퇴화하기 전에 복잡한 계산을 빠르게 수행하는 데 필수적입니다. 연구진은 전기 신호를 기계적 변형으로 매우 효율적으로 변환하는 설정을 통해 이 속도를 달성했으며, 이를 통해 자기장에 의존하는 이전 방식보다 전자를 훨씬 더 강하게 구동할 수 있었습니다. 또한 그들은 이러한 극한의 속도에서 전자의 행동이 더 복합적으로 변하여 여러 주파수를 동시에 보여주는 것을 관찰했는데, 이는 시스템이 표준적인 단순 모델이 더 이상 적용되지 않는 새로운 물리 법칙의 영역으로 진입하고 있음을 시사합니다.

이 연구의 의의는 이전에 상충했던 두 가지 필요성, 즉 큐비트를 소음으로부터 격리해야 하는 필요성과 그것과 강력하게 상호작용해야 하는 필요성을 통합하는 능력에 있습니다. 소리 파동을 사용하여 제어 도구인 동시에 보호막을 만드는 방식을 통해, 연구진은 양자 컴퓨터가 작동하는 데 필요한 기본 연산인 고충실도 양자 게이트를 향한 길을 열었습니다. 그들은 빛을 사용하여 직접 정보를 초기화하고 읽어낼 수 있음을 입증했으며, 상태를 전송하기 위한 복잡한 추가 단계가 필요하지 않았습니다. 이러한 단순함은 속도 및 연장된 메모리 시간과 결합되어, 실리콘 공석이 소리에 의해 정보가 라우팅되는 미래의 양자 네트워크에서 정지형 노드 역할을 할 수 있음을 시사합니다. 연구진은 소리 파동으로부터 발생하는 열을 관리하여 다이아몬드를 충분히 차갑게 유지해야 한다고 언급했지만, 그들의 결과는 이러한 트레이드오프가 관리 가능한 수준이며 이 모든 기계적 접근 방식의 이점이 상당하다는 것을 보여줍니다. 이 연구는 언젠가 고체의 진동을 사용하여 양자 컴퓨터들을 서로 연결할 수 있는 견고한 온칩(on-chip) 양자 네트워크를 향한 중요한 단계입니다.