Low-Frequency Charge Noise in Bilayer Graphene Quantum Dots

양자 컴퓨터를 구축하려는 여정에서, 과학자들은 큐비트라고 알려진 정보의 조각을 무너지지 않고 유지할 수 있는 재료를 찾고 있습니다. 회전하는 팽이가 균형을 잡고 있는 모습을 상상해 보십시오. 만약 공기가 너무 드래프트가 심하거나 표면이 너무 흔들린다면, 팽이는 비틀거리다 멈추게 될 것입니다. 양자 물리학의 미시 세계에서, 이러한 비틀거림은 재료의 에너지 준위를 흔드는 보이지 않는 전기적 정전기, 즉 "노이즈(noise)"에 의해 발생합니다. 수년 동안 연구자들은 이러한 큐비트를 만들기 위해 전통적인 실리콘과 갈륨 비소 칩에 의존해 왔지만, 이들은 끊임없이 이 정전기와 싸우고 있습니다. 이제 새로운 경쟁자가 등장했습니다: 바로 이중층 그래핀(bilayer graphene)입니다. 이 재료는 샌드위치처럼 쌓인 단 두 층의 탄소 원자로 구성되어 있습니다. 이는 믿을 수 없을 정도로 얇고 유연하며, 전기장을 통해 전자를 '양자 점(quantum dots)'이라 불리는 작은 새장 안에 가두도록 조절할 수 있습니다. 매우 깨끗하고 제어가 가능하기 때문에, 이 재료는 양자 정보를 위한 우수한 안식처가 될 가능성이 높지만, 이는 오직 기존 기술들을 괴롭히는 것과 동일한 전기적 노이즈에 대해 정보를 안정적으로 유지할 수 있을 때만 가능합니다.

ETH 취리히의 연구팀은 이중층 그래핀이 정말로 이 역할을 수행할 준비가 되었는지 테스트하기 위해 나섰습니다. 그들은 전자들이 이 그래핀 새장 안에 갇혀 있는 아주 작은 소자들을 만들었고, 그 후 전기적 환경을 면밀히 관찰하여 노이즈를 측정했습니다. 그들의 목표는 이 새로운 재료의 노이즈가 기존의 확립된 실리콘 칩보다 더 심한지, 아니면 그래핀이 만들어지는 독특한 방식이 실제로 더 조용하게 만들 수 있는지 확인하는 것이었습니다. 그들은 이중층 그래핀의 노이즈 수준이 가장 우수한 전통적인 반도체 플랫폼에서 나타나는 범위의 딱 중간에 있다는 것을 발견했습니다. 연구진은 전기적 변동의 강도를 측정했으며, 이중층 그래핀이 미래의 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 경쟁력 있고 실행 가능한 선택지라는 위치를 차지하는 중앙값을 찾아냈습니다.

무엇을 측정하고 있는지 이해하려면, 양자 점을 전자가 앉아 있는 작은 섬으로 상상해야 합니다. 이 전자들의 에너지는 고정되어 있지 않으며, 근처의 미세한 전하가 움직일 때마다 약간씩 변합니다. 이러한 미세한 전하들은 종종 양자 점을 둘러싼 재료 속에 갇혀 있으며, 두 가지 상태 사이를 왔다 갔다 합니다. 이러한 전환은 섬세한 양자 상태를 방해하는 저주파의 웅성거림(hum)을 만들어냅니다. 연구진은 장치에 전류를 흘려보내고 전압을 조절함에 따라 흐름이 어떻게 변하는지 관찰하는 '수송 분광법(transport spectroscopy)'이라는 방법을 사용했습니다. 이 전류의 변동을 경청함으로써 그들은 노이즈를 지도화할 수 있었습니다. 그들은 노이즈가 예측 가능한 패턴을 따르며, 주파수가 높아짐에 따라 감소한다는 것을 발견했는데, 이는 이러한 종류의 간섭에서 전형적으로 나타나는 현상입니다. 1헤르츠(Hz)에서의 이 노이즈 강도는 1.16 마이크로 전자볼트 per square root of a hertz($\mu eV/\sqrt{Hz}$)로 측정되었습니다. 이 수치는 역대 최저치는 아니지만, 고성능 양자 소자로 간주되는 범위 내에 잘 들어와 있으며, 그래핀 플랫폼이 본질적으로 결함이 있는 것은 아님을 증명합니다.

그다음 팀은 더 깊은 질문을 던졌습니다: 만약 장치의 설정을 변경하면 노이즈가 변할 것인가? 많은 시스템에서, 양자 점에 더 많은 전자를 추가하면 외부 노이즈로부터 차폐 효과를 얻을 수 있거나, 트랩의 모양을 바꾸면 노이즈가 발생하는 근원지에 더 가까워질 수도 있습니다. 연구진은 전자의 수, 트랩의 조임 정도, 전자를 밀어내는 전압, 심지어 양자 점을 측정하는 센서에 가해지는 전력까지 체계적으로 변화시켰습니다. 놀랍게도, 이러한 변화 중 어느 것도 재현 가능한 차이를 만들어내지 못했습니다. 전자가 많든 적든, 혹은 전류를 더 강하게 밀어내든 상관없이 노이즈 수준은 완강하게 동일하게 유지되었습니다. 이는 노이즈의 근원이 연구자들이 쉽게 조절하거나 차단할 수 있는 것이 아니라, 그래핀 주변 환경의 근본적인 특성임을 시사합니다. 즉, 노이즈는 아마도 장치를 보호하고 제어하는 데 사용된 재료 층에서 기인하는 것으로 보입니다.

자신들의 결과가 특정 측정 기술의 우연한 결과가 아님을 확실히 하기 위해, 과학자들은 두 가지 다른 방식으로 실험을 반복했습니다. 첫째, 그들은 단일 양자 점 대신 두 개의 양자 점을 가진 장치, 즉 더블 도트(double-dot) 시스템을 구축했습니다. 그들은 두 양자 점 사이의 노이즈를 측정했고, 그 수준이 단일 양자 점 측정값과 일치한다는 것을 발견했습니다. 둘째, 그들은 장치에 전류를 흘리지 않고도 노이즈를 감지할 수 있는 초전도 공진기(superconducting resonator, 특정 주파수에서 진동하는 전기 회로의 일종)를 사용하는 완전히 다른 방법을 사용했습니다. 이 독립적인 검증은 동일한 노이즈 수준을 확인해주었습니다. 또한 그들은 양자 컴퓨팅에 유용한 특정 유형의 상호작용을 도입하기 위해 다른 재료인 전이 금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenide) 층을 추가한 버전의 장치도 테스트했습니다. 이 추가 층이 새로운 결함이나 노이즈를 유발할 수 있었음에도 불구하고, 전하 노이즈는 증가하지 않았습니다. 이는 그래핀 층이 더 복잡한 작업을 위해 수정되었을 때도 전기적으로 조용한 상태를 유지함을 나타냅니다.

이러한 발견의 함의는 실용적이고 즉각적입니다. 노이즈가 안정적이고 기존의 가장 우수한 재료들과 대등한 수준이기 때문에, 엔지니어들은 이중층 그래핀을 선택하는 것이 양자 컴퓨터의 성능을 자동으로 망칠까 봐 걱정할 필요가 없습니다. 연구진은 노이즈 측정값을 사용하여 노이즈가 결맞음(coherence)을 잃게 만들기 전까지 양자 비트가 상태를 얼마나 오래 유지할 수 있는지 추정했습니다. 그들은 전하 기반 큐비트의 경우, 정보가 몇 백 피코초(picoseconds) 동안 지속될 것이라고 계산했는데, 이는 다른 재료에서 관찰된 시간 범위와 일치합니다. 인간의 관점에서는 매우 짧은 시간이지만, 이는 양자 논리에 필요한 빠른 연산을 수행하기에는 충분한 시간입니다. 더 중요한 것은, 스핀 또는 밸리 큐비트(spin or valley qubits)의 경우 이와 같은 유형의 노이즈에 덜 민감하므로 결맞음 시간이 훨씬 더 길어질 수 있다는 점을 이 연구는 시사합니다. 이 연구는 이중층 그래핀이 장치를 어떻게 구축하거나 조절하느냐에 따라 양자 정보를 보유하는 능력이 결정적으로 훼손되지 않는 견고한 플랫폼임을 확인해주었으며, 연구자들이 작동하는 양자 기계를 만드는 데 있어 다른 측면에 집중할 수 있도록 길을 열어주었습니다.