Nitrogen Vacancy Centers in Hexagonal Diamond Exhibit Long Coherence Times

정보가 0과 1의 비트가 아니라, 위, 아래, 혹은 동시에 양쪽 모두를 향할 수 있는 회전하는 팽이와 같은 단일 전자의 스핀에 저장되는 아주 작고 보이지 않는 컴퓨터들의 세계를 상상해 보십시오. 이것이 바로 오늘날의 슈퍼컴퓨터로도 풀기 너무 복잡한 문제들을 해결할 것을 약속하는 분야인 양자 컴퓨팅의 영역입니다. 하지만 여기에는 함정이 있습니다. 이 양자 팽이들은 믿을 수 없을 정도로 취약합니다. 주변 환경에서 발생하는 아주 작은 열의 속삭임이나 미세한 자기적 충격만으로도 이들을 쓰러뜨려, 정보를 사용하기도 전에 엉망으로 만들어 버릴 수 있습니다. 과학자들은 이러한 컴퓨터를 만들기 위해 완벽한 "회전하는 팽이"를 찾아 헤매왔으며, 수년 동안 일반 다이아몬드에서 '질소-공공(Nitrogen-Vacancy, NV) 센터'라고 불리는 특정 결함을 주목해 왔습니다. 이 결함을 빛으로 켜고 끌 수 있고 마이크로파로 제어할 수 있는 다이아몬드 내부의 작은 빛나는 등대로 생각해 보십시오. 커다란 질문은 항상 이것이었습니다. 과연 우리가 이 등보를 더 안정적으로, 즉 쓰러지지 않고 더 오래 스핀을 유지할 수 있는 버전으로 찾을 수 있을 것인가 하는 점입니다.

이 논문은 일반적인 다이아몬드의 희귀하고 이색적인 사촌 격인 론스데일라이트(lonsdaleite), 즉 육방정계 다이아몬드에 대해 깊이 파고듭니다. 일반적인 다이아몬드가 완벽한 입방체(cube)의 적층 구조로 이루어져 있다면, 론스데일라이트는 육각형 벌집 모양처럼 육방정계 패턴으로 쌓여 있습니다. 연구진은 강력한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 이 육각형 벌집 구조 안에 동일한 "등대" 결함을 만들었을 때 어떤 일이 일어나는지 살펴보았습니다. 그들은 육방정계 다이아몬드가 특별한 비틀림을 제공한다는 사실을 발견했습니다. 즉, 결함이 두 가지 다른 위치에 놓일 수 있다는 것입니다. 한 위치는 기존의 익숙한 다이아몬드 결함과 매우 유사하지만, 다른 한 위치는 약간 "찌그러지거나" 비대칭적입니다. 놀랍게도, 이 찌그러진 버전이 스핀을 유지하는 데 있어 챔피언이라는 사실이 밝혀졌습니다. 시뮬레이션에 따르면, 육방정계 다이아몬드의 이 비대칭 결함은 영자기장 상태에서 약 3.73밀리초 동안 양자 정보를 유지할 수 있습니다. 이것이 짧게 들릴 수도 있지만, 양자의 세계에서는 엄청난 도약입니다. 이는 일반적인 입방정계 다이아몬드에서 보여준 최고의 성능보다 약 4배 더 긴 시간입니다. 저자들은 이 "찌그러진" 결함이 실험실에서 육방정계 다이아몬드를 실제로 성장시키고 이러한 특정 결함을 찾아낼 수만 있다면, 더 견고한 양자 센서와 컴퓨터를 구축하기 위한 비밀 재료가 될 수 있다고 제안합니다.

찌그러진 다이아몬드의 이야기

이것이 왜 중요한 일인지 이해하기 위해, 먼저 이 드라마가 펼쳐지는 무대인 다이아몬드를 먼저 살펴봅시다. 여러분은 다이아몬드를 가장 단단하고 투명한 보석으로 알고 있겠지만, 원자 수준에서 다이아몬몬은 그저 서로 손을 잡고 있는 탄소 원자들의 격자일 뿐입니다. 때때로 자연은 실수를 저지릅니다. 탄소 원자 하나가 빠지고(공공), 그 자리에 질소 원자가 몰래 끼어드는 것입니다. 이 쌍이 바로 질소-공공(NV) 센터입니다. 일반적인 입방정계 다이아몬드에서 이 결함은 완벽하게 대칭적인 회전하는 팽이와 같습니다. 훌륭하긴 하지만 약점이 있습니다. 주변의 자기장이 아주 조금이라도 흔들리면, 팽이는 혼란에 빠져 스핀을 빠르게 잃어버립니다.

이 논문의 연구진은 간단한 질문을 던졌습니다. "만약 이 동일한 결함을 다른 종류의 다이아몬드에 넣는다면 어떻게 될까?" 그들은 일반적인 입방체 적층 대신, 운석에서 자연적으로 발견되며 최근에야 실험실에서 만들어진 육방정계 다이아몬드인 론스데일라이트를 살펴보았습니다. 이 육각형 벌집 구조에서 NV 결함은 두 가지 방식으로 위치할 수 있습니다. 저자들은 이를 "AA"와 "AB"라고 부릅니다.

AA 구성은 "모방자"입니다. 이 결함은 일반적인 다이아몬드의 완벽한 대칭성을 유지하는 위치에 자리 잡습니다. 시뮬레이션이 보여주었듯, 이것은 기존의 다이아몬드 결함과 거의 똑같이 작동합니다. 신뢰할 수는 있지만, 새로운 초능력을 제공하지는 않습니다.

반면, AB 구성은 "반항아"입니다. 육각형 벌집 구조의 특성 때문에, 이 결함은 완벽한 대칭성을 깨뜨리는 모양으로 압착됩니다. 마치 완벽하게 둥근 회전 팽이를 살짝 눌러서 약간 타원형으로 만드는 것과 같습니다. 대칭성을 깨뜨리는 것이 상황을 악화시킬 것이라고 생각할 수도 있지만, 여기에 마법 같은 일이 있습니다. 이 "찌그러진" 모양이 오히려 스핀을 더 잘 보호한다는 것입니다.

"클락 트랜지션(Clock Transition)"의 마법

왜 찌그러지는 것이 도움이 될까요? 논문은 이를 "영자기장 분리(Zero-Field Splitting, ZFS)"라는 개념을 사용하여 설명합니다. 회전하는 팽이의 에너지 준위를 사다리의 가로대라고 상상해 보십시오. 완벽하고 대칭적인 다이아몬드에서는 이 가로대 중 두 개가 정확히 같은 높이에 있습니다. 이때 자기장이 흔들리면 팽이가 이 가로대에서 쉽게 벗어나게 됩니다.

하지만 찌그러진 AB 결함에서는 그 대칭성이 깨집니다. 두 가로대는 더 이상 같은 높이에 있지 않으며, 특정 양만큼 떨어져 있습니다. 연구진은 이 간격이 영자기장에서 특별한 "스윗 스팟(sweet spot)"을 만든다는 것을 발견했습니다. 이 지점에서 회전하는 팽이는 자기적 노이즈에 대해 믿기 힘들 정도로 끈질기게 버팁니다. 이는 마치 테이블을 흔들어도 정확한 시간을 유지하는 시계와 같습니다. 저자들은 이 효과가 스핀의 결맞음 시간(coherence time, $T_2$)을 약 3.73 밀리초까지 높인다고 계산했습니다.

이를 비교해 보자면, 일반적인 입방정계 다이아몬드(그리고 육방정계 다이아몬드의 AA 버전)는 유사한 조건에서 약 0.85에서 0.9 밀리초 정도만을 유지합니다. 찌그러진 AB 버전은 약 4배 더 뛰어납니다.

시뮬레이션이 보여준 것들

연구팀은 단순히 추측한 것이 아니라, "제1원리 계산(first-principles calculations)"이라는 방법을 사용하여 상세한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행했습니다. 이는 기초적인 물리 법칙에서 시작하여, 정답을 추측할 필요 없이 컴퓨터가 원자들의 행동을 스스로 파악하도록 하는 방식입니다.

그들의 디지털 실험이 밝혀낸 내용은 다음과 같습니다:

• 육방정계 다이아몬드의 두 얼굴: AA와 AB 구성이 모두 존재할 수 있고 안정적임을 확인했습니다.
• 전자 구조: AA 버전은 에너지 준위 측면에서 입방정계 다이아몬드 결점과 거의 흡사합니다. 그러나 AB 버전은 대칭성 붕괴로 인해 에너지 준위가 갈라져 있습니다.
• 빛의 쇼: 연구진은 레이저를 쏘았을 때 이 결함들이 어떤 색의 빛을 내는지도 시뮬레이션했습니다. 그들은 AA 버전과 AB 버전이 서로 다른 에너지(색상)에서 빛을 낸다는 것을 발견했습니다. AB 버전은 1.48 eV의 "제로 포논 라인(Zero-Phonon Line)" 에너지에서 빛을 내는 반면, AA 버전은 1.73 eV에서 빛을 냅니다. 이 차이는 마치 지문과 같아서, 만약 과학자들이 실험실에서 이 다이아몬드들을 만들어낸다면, 방출되는 빛의 색깔만 보고도 어떤 결함을 발견했는지 알 수 있습니다.
• 결맞음의 챔피언: 가장 흥ating한 결과는 스핀 수명이었습니다. AB 구성은 최고 3.73 ms의 결맞음 시간에 도달한 반면, AA 버전과 입방정계 다이아몬드는 각각 약 0.9 ms와 0.85 ms 근처에 머물렀습니다.

이것이 갖는 의미 (그리고 아직 의미하는 바가 아닌 것)

이 논문은 AB 구성의 육방정계 다이아몬드가 양자 기술을 위한 매우 유망한 후보라고 제안합니다. 이것은 독특한 조합을 제공합니다. 전자 구조는 활용 가능한 수준에서 잘 알려진 입방정계 다이아몬드와 충분히 유사하면서도, 대칭성 붕괴를 통해 엄청난 안정성 향상을 얻었기 때문입니다.

하지만 이 논문이 말하지 않는 것을 기억하는 것도 중요합니다. 저자들은 이 다이아몬드들을 실험실에서 직접 키우거나 실제 기계로 이 스핀들을 측정하지 않았습니다. 여기에 제시된 모든 것은 컴퓨터 시뮬레이션 결과입니다. 그들은 만약 이 결함들을 만들 수 있다면, 이것들이 이렇게 작동할 것이라고 예측한 것입니다. 또한, AB 결함은 안정성 면에서는 뛰어나지만, 특정한 비대칭적 배열을 필요로 하기 때문에 실제 제조 과정에서 제어하기 까다로울 수 있다는 점도 언급했습니다.

연구진은 또한 다른 아이디어와 비교했습니다. "만약 일반적인 입방정계 다이아몬드에 압력을 가해 찌그러뜨린다면 어떻게 될까?" 그들은 이것도 시뮬레이션했으며, 외부에서 거대한 힘을 가하지 않고도 론스데일라이트의 자연적인 육방정계 구조가 이를 더 잘 수행한다는 것을 발견했습니다.

결국, 이 논문은 새로운 개척지를 그려내고 있습니다. 익숙한 입방정계 다이아몬트를 넘어 그 육각형 사촌을 바라보고, "찌그러진" AB 결함을 받아들임으로써, 우리는 덜 취약하고 더 강력한 양자 컴퓨터를 구축할 수 있는 열쇠를 찾을 수 있을지도 모릅니다. 다음 단계는 현실 세계에서 우리가 이러한 육방정계 다이아몬드를 키워낼 수 있는지, 그리고 실험실에서 이 빛나고 초안정적인 결함들을 찾아낼 수 있는지 확인하는 것입니다.