Molecular spin qubits in a van der Waals bottle

양자 컴퓨터를 구축하려는 탐구는 종종 단순하고 좌절스러운 문제에서 시작됩니다. 바로 정보를 보유하는 양자 비트, 즉 큐비트가 믿을 수 없을 정도로 취약하다는 점입니다. 양자의 세계에서 입자는 여러 가능성을 동시에 보유하는 중첩 상태로 존재할 수 있지만, 주변 환경으로부터 오는 아주 작은 접촉—미세한 진동, 근처의 자기장, 또는 표면에 부딪히는 충격 등—만으로도 단 하나의 평범한 상태로 붕괴될 수 있습니다. 이러한 정보의 손실을 결어긋남(decoherence)이라고 하며, 이는 과학자들이 신뢰할 수 있는 양자 기계를 만드는 것을 가로막는 주요 장애물입니다. 연구자들은 포획된 원자나 초전도 회로를 이용해 큐비트를 만들어 왔지만, 개별 분자를 큐비트로 사용하는 것에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 이러한 분자 스핀 큐비트는 매우 작고 화학적으로 조절 가능하며, 원자 단위의 정밀도로 설계될 수 있습니다. 그러나 이들을 고체 소자 안에 배치하면 주변 물질이 너무 많은 노이즈를 생성하기 때문에 그 섬세한 양자 상태가 파괴되곤 합니다. 과제는 이 취약한 분자들을 양자적 본성을 짓밟지 않으면서도 고체 구조 안에 수용할 방법을 찾는 것이었습니다.

한 연구팀은 2차원 물질의 독특한 구조를 살펴보는 방식으로 해결책을 찾아냈습니다. 그들은 특정 결정의 층 사이에 있는 미세한 틈 속에 분자 큐비트를 가둠으로써, 분자를 환경으로부터 보호하고 결어긋남이 지속되는 시간을 획기적으로 연장할 수 있다는 것을 발견했습니다. 연구팀은 단일 코발트 원자의 자기 스핀을 포함하고 있는 코발토센(cobaltocene)이라는 분자를 실험 대상으로 사용했습니다. 그들은 이 분자들을 약한 힘에 의해 결합되어 있으며 강한 화학 결합 대신 반데르발스 힘으로 유지되는 이황화주석(tin disulfide)과 티오파스페이트 카드뮴(cadmium thiophosphate)이라는 두 가지 결정 물질의 틈 사이에 삽입했습니다. 반데르발스 구속(van der Waals confinement)이라고 알려진 이 방법은 분자들이 파괴적인 화학적 연결을 형성하지 않고 결정 층 내부로 미끄러져 들어갈 수 있게 해주었습니다. 일단 내부로 들어간 분자들은 특정하고 질서 정연한 배열을 강요받게 되었으며, 이는 결과적으로 양자 정보가 사라지게 만드는 혼란스러운 진동과 상호작용으로부터 분자를 보호하는 '병(bottle)' 역할을 효과적으로 수행했습니다.

이러한 구속의 결과는 놀라웠습니다. 코발토센 분자들이 구속되지 않은 상태에서는 양자 상태가 사라지기 전까지 불과 몇 마이크로초 동안만 지속되었습니다. 하지만 결정 틈 사이에 배치되었을 때, 그 수명은 200배 이상 증가했습니다. 가장 성공적인 경우, 분자들은 양자 상태를 1밀리초 이상 유지했는데, 이는 실용적인 컴퓨팅에 필요한 시간대에 훨씬 가까워진 엄청난 개선입니다. 연구진은 이러한 보호가 결정 층이 분자의 내부 에너지 지형을 변화시키는 방식에서 기인했다는 것을 밝혀냈습니다. 틈의 좁은 공간이 분자의 진동 방식과 전자의 이동 방식을 변화시켜, 결과적으로 스핀으로부터 에너지를 배출하는 특정 경로들을 침묵시켰습니다. 그것은 마치 결정 층이 양자 신호를 방해하는 소음을 차단하는 방음실 역할을 하는 것과 같았습니다.

구속은 큐비트의 수명을 연장하는 것 이상으로, 분자들이 정밀하고 예측 가능한 방식으로 정렬되도록 강제했습니다. 자기 스핀이 라디오파에 어떻게 반응하는지를 측정하는 전자 상자성 공명(electron paramagnetic resonance) 기술을 사용하여, 연구팀은 분자들이 무작위로 구르는 대신 균일한 방향으로 똑바로 서 있다는 것을 관찰했습니다. 이러한 질서 정연한 배열은 기능적인 양자 장치를 구축하는 데 매우 중요한데, 왜냐하면 과학자들이 높은 정밀도로 개별 큐비트를 다루고 제어할 수 있게 해주기 때문입니다. 또한 이 연구는 분자들이 결정 층 내에서 반복적인 격자 패턴을 형성하여, 모든 큐비트가 동일한 환경에 놓이는 초격자(superlattice)를 만든다는 것을 보여주었습니다. 이러한 자기 조립(self-assembly)은 이 방법이 단순히 고립된 사례를 넘어 대규모의 조직된 큐비트 네트워크를 만드는 데 확장될 수 있음을 시사합니다.

연구진은 또한 결정 내부에서 분자들이 왜 다르게 행동하는지를 면밀히 조사했습니다. 그들은 구속이 분자의 내부 자기력과 주변 원자들과의 상호작력 사이의 균형을 변화시킨다는 것을 발견했습니다. 구속되지 않은 상태에서 분자의 전자들은 혼합되고 불안정한 상태에 있어 에너지가 누출되기 쉬웠습니다. 그러나 결정 내부의 좁은 공간은 전자를 더 안정적이고 순수한 상태로 몰아넣어, 환경이 전자를 방해하기 훨씬 어렵게 만들었습니다. 이러한 전자 구조의 변화가 성능의 극적인 향상을 이끈 핵심이었습니다. 연구팀은 분자들이 화학적으로 온전하게 유지되었으며, 호스트 결정이 큐비트의 자기적 특성을 방해하지 않고 오직 필요한 보호 기능만을 제공했음을 확인했습니다.

이 연구는 분자와 고체 물질 사이의 계면이 반드시 파괴의 원인이 될 필요는 없다는 것을 보여줍니다. 분자가 거주하는 공간을 세심하게 설계함으로써, 과학자들은 잠재적으로 파괴적인 환경을 보호적인 환경으로 바꿀 수 있습니다. 이 연구는 이러한 접근 방식이 다른 유형의 분자 큐비트에도 적용될 수 있으며, 취약한 양자 시스템을 견고한 고체 상태 장치에 통합하는 일반적인 전략을 제공할 수 있음을 시사합니다. 2차원 물질 내에서 결정론적이고 질서 있는 배열 속에 큐비트를 배치하는 능력은 분자 화학의 다재다능함과 고체 상태 공학의 안정성을 결합한 복잡한 양자 회로를 구축하는 문을 열어줍니다. 비록 이 기술이 아직 초기 단계에 있지만, 공간적 구속을 통해 양자 결어긋남을 설계할 수 있다는 증명은 미래 양자 기술의 발전에 있어 중요한 진전입니다.