Coherent oscillations in weakly anharmonic NbSe2 qubit

오늘날의 컴퓨터로는 불가능한 방식으로 생각하고 계산하는 기계를 만들기 위한 탐구는 큐비트라고 불리는 아주 작고 취약한 정보 단위에 의존합니다. 표준 컴퓨터의 비트가 0 또는 1인 것과 달리, 큐비트는 주변의 소음이 많고 혼란스러운 세상으로부터 완벽하게 격리되어 있는 동안에만 두 상태 모두에 동시에 존재할 수 있는 섬세한 상태로 존재할 수 있습니다. 이를 달성하기 위해 과학자들은 종종 초전도 회로를 사용하는데, 이는 절대 영도에 가까운 온도로 냉각될 때 저항 없이 전류를 흘려보내는 전기적 루프입니다. 이 회로의 핵심은 큐비트가 양자 진동자처럼 행동하도록 허용하는 문지기 역할을 하는 특별한 접합부입니다. 수년 동안 연구자들은 잘 알려진 제조 공정을 가진 재료인 알루미늄을 사용하여 이러한 접합부를 만들어 왔습니다. 그러나 알루미늄에는 한계가 있습니다. 알루미늄은 미세한 결함이 생기기 쉽고 강한 자기장에서 작동하는 데 어려움이 있어, 과학자들이 암흑 물질을 구성할 수도 있는 보이지 않는 입자를 찾는 것과 같은 특정 유형의 우주 탐정 업무를 위해 강력한 양자 도구를 사용하는 것을 가로막습니다.

이러한 장벽을 극복하기 위해 한 연구팀은 반데르발스 고체라고 알려진 다른 부류의 재료로 눈을 돌렸습니다. 이 재료들을 마치 카드의 한 덱처럼 매우 얇은 시트들이 쌓여 있는 것으로 상상해 보십시오. 여기서 각 층은 원자 단위의 정밀도로 분리되거나 새로운 방식으로 쌓일 수 있습니다. 이러한 재료들은 알루미늄보다 더 깨끗하고 완벽한 내부 구조를 제공하여, 큐비트가 양자 상태를 잃게 만드는 결함으로부터 큐비트를 보호할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 과학자들이 탄소의 단일 층인 그래핀을 사용하여 큐비트를 만드는 데는 이미 성공했지만, 이 계열의 다른 유망한 후보들로부터 작동하는 큐비트를 만드는 데는 아직 성공하지 못했습니다. 새로운 연구에서 연구진은 디셀레늄 니오븀을 사용하여 큐비트를 성공적으로 구축하고 테스트했습니다. 이 재료는 초전도체일 뿐만 아니라 자기장에 대해 매우 강한 저항성을 가지고 있습니다. 이 성과는 이 특정 재료로 큐비트가 만들어진 첫 사례로, 알루미늄이 실패할 수 있는 환경에서도 작동할 수 있는 더 견고한 양자 장치로 가는 문을 열었습니다.

연구진은 약 10에서 15 나노미터 두께의 아주 작은 디셀레늄 니오븀 조각 두 개를 가져와서, 두 층이 만나는 접합부를 만들기 위해 정교하게 겹쳐 놓음으로써 장치를 제작했습니다. 그들은 이 섬세한 접합부를 큐비트의 상태를 제어하고 읽는 데 도움을 주는 공진기로서 역할을 하는 속이 빈 알루미늄 상자 안에 배치했습니다. 접합부가 올바르게 작동하는지 확인하기 위해, 연구진은 이를 커다란 알루미늄 패드에 연결하고 전체 설비를 주변의 잡음 열과 복사선을 차단하는 필터로 둘러쌌습니다. 실험은 절대 영도보다 겨우 20 밀리켈빈(절대 영도에서 아주 미세한 차이만큼 높은 온도) 정도로 온도가 낮아진 특수 실험실에서 진행되었으며, 이는 재료가 초전도 상태를 유지하도록 하기 위함입니다. 팀은 상자 안으로 마이크로파 펄스를 보냄으로써 접합부의 거동을 조사하고, 그것이 양자 진동자처럼 행동하는지 확인할 수 있었습니다.

그들이 발견한 것은 장치가 정확히 약한 비조화 진동자(weakly anharmonic oscillator)처럼 행동하는 장치였으며, 이는 큐비트가 정보를 유지하면서도 보통 양자 상태를 파괴하는 소음에 저항할 수 있음을 의미합니다. 연구진이 장치로 보내는 신호의 출력을 높였을 때, 공동(cavity)의 공진은 재료가 "연화(softening)" 진동자처럼 행동한다는 것을 나타내는 방식으로 이동했습니다. 이는 특정 유형의 비선형적 거동입니다. 놀랍게도, 장치는 연구진이 공동 내부에 5~10개의 추가적인 광자 열 에너지에 해당하는 상당한 양의 열 잡음을 도입했을 때도 안정적으로 유지되었습니다. 이 수준의 견고함은 유사한 층상 재료로 만들어진 다른 큐비트에서 보여진 것보다 훨씬 뛰어납니다. 또한, 연구진은 입력 신호의 전력을 조절함으로써 진동자의 거동을 연화(softening)에서 "경화(hardening)"로 전환하여, 비선형성의 부호를 효과적으로 바꿀 수 있음을 입증했습니다. 장치의 근본적인 특성을 튜닝할 수 있는 이러한 능력은 양자 시스템에 대한 높은 수준의 제어를 시사합니다.

모든 큐비트에게 가장 중요한 테스트는 이완 시간(relaxation time)이라고 불리는 값으로 측정되는, 결맞음(coherence)을 잃기 전까지 양자 상태를 얼마나 오래 유지할 수 있는가입니다. 이 실험에서 디셀레늄 니오븀 큐비트는 6.5 마이크로초 동안 상태를 유지했는데, 이는 이전에 그래핀 기반 큐비트로 달성한 최고 결과보다 약 100배 더 긴 시간입니다. 이 연장된 수명은 아마도 양자 상태를 방해하는 내부 결함을 최소화하는 디셀레늄 니오븀의 높은 결정질 품질과 더 높은 전류를 견딜 수 있는 재료의 능력 덕분일 것입니다. 연구진은 또한 큐비트 상태에서 명확하고 리드미컬한 진동인 라비 진동(Rabi oscillations)을 관찰했으며, 이는 장치가 정밀하게 조작될 수 있음을 확인시켜 주었습니다. 제어 펄스에 필요한 시간이 길어서 완전한 결맞음 시간(decoherence time)을 측정하지는 못했지만, 이완 시간 자체만으로도 이 계열의 재료에서 엄청난 도약을 의미합니다.

이 작업은 반데르발스 재료가 양자 기술에 성공적으로 통합될 수 있음을 보여주는 강력한 증거이며, 현재의 알루미늄 기반 시스템보다 더 내구성이 있고 다재다능한 장치로 가는 경로를 제시합니다. 디셀레늄 니오븀이 강한 자기장에서 기능할 수 있다는 능력은 특히 중요한데, 이는 전통적인 알루미늄 큐비드가 작동을 멈출 수 있는 강력한 자석 내부에서 양자 센서를 직접 배치해야 하는 암흑 물질 탐지 실험에 이 큐비트들을 사용할 수 있음을 시사하기 때문입니다. 현재의 장치는 특정 유형의 계산에 사용하기 어렵게 만드는 약간의 비선형성을 가지고 있지만, 연구진은 접합의 크기를 조정하거나 더 정밀한 제조 기술을 사용하여 향후 설계에서 이 매개변수를 미세하게 조정할 수 있다고 언급했습니다. 큐비트를 이 재료로 만들 수 있고 높은 결맞음을 수행할 수 있음을 입증함으로써, 이 연구는 차세대 양자 센서와 컴퓨터를 위한 견고한 토대를 마련하며, 이색적인 재료와 실용적인 양자 응용 사이의 간극을 메우고 있습니다.