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A metastable state in $\mathrm{Yb}^+$ with lifetime greater than 10 minutes

이 논문은 $\mathrm{Yb}^+$ 이온의 준안정 상태인 ${}^3[11/2]_{9/2}^o$ 에 대한 17.8분의 충돌 없는 수명을 직접 측정하고, 701 nm 재펌핑 전이를 식별하며, 충돌 소멸(collisional quenching)을 특성화함으로써, 해당 상태가 원자 시계 및 양자 정보 처리에 활용될 수 있는 타당성을 확립하였음을 보고한다.

원저자: Hassan Farhat, William Liu, Wesley C. Campbell

게시일 2026-09-10

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CC BY 4.0

원저자: Hassan Farhat, William Liu, Wesley C. Campbell

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원자 물리학의 고요한 세계에서 과학자들은 물질의 가장 작은 구성 요소인 단일 원자를 다룹니다. 이들은 전자 하나를 제거하여 양전하를 띤 이온 상태로 만듭니다. 이러한 이온들은 물리적인 벽이 아니라 전기장과 자기장으로 이루어진 보이지 않는 새장에 갇혀 고정될 수 있습니다. 일단 트랩에 갇히면, 이들은 절대 영도에 가까운 온도로 냉각되어도서도 움직임이 멈추고 완벽하게 정지된 상태가 됩니다. 이러한 정지 상태는 연구자들이 원자의 내부 구조를 놀라운 정밀도로 조사할 수 있게 해줍니다. 이 분야의 가장 중요한 목표 중 하나는 변하지 않고 매우 오랫동안 지속되는 원자의 상태를 찾는 것입니다. 이를 준안정 상태(metastable states)라고 부릅니다. 이것을 깊고 좁은 골짜기에 놓인 공이라고 생각해보십시오. 공이 골짜기 밖으로 굴러 나오는 데 오랜 시간이 걸리듯, 원자는 이 특정 상태를 몇 분 또는 몇 시간 동안 유지합니다. 이러한 긴 수명을 가진 상태는 세계에서 가장 정확한 시계의 토대가 되며, 정보가 사라지지 않고 저장되어야 하는 양자 컴퓨팅의 미래에 필수적입니다.

캘리포니아 대학교 로스앤젤레스(UCLA)의 연구팀은 이제 실험에 자주 사용되는 무거운 금속 원자인 이터븀 이온에서 발견한 새롭고 유난히 오래 지속되는 상태를 발견했습니다. 단일 이온을 가두고 세밀하게 관찰함으로써, 연구진은 이터븀 이온의 들뜬 상태가 정상 상태로 붕괴되지 않고 거의 18분 동안 생존할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이는 대부분의 들뜬 원자 상태가 찰나의 순간에 사라지는 것과 비교할 때 상당한 성과입니다. 연구진은 이 시간을 직접 측정하였는데, 이온이 이 특별한 상태에 머물다가 주변의 떠다니는 가스 분자와의 무작별 충돌로 인해 상태에서 벗어나기까지 얼마나 걸리는지를 관찰했습니다. 대기가 화성의 대기보다 더 희박한 진공 챔버 안에서도 이러한 충돌은 가끔 발생합니다. 연구진은 압력을 조절함에 따라 이 수명이 어떻게 변하는지 측정함으로써, 충돌이 없는 완벽한 진공 상태라면 이온이 이 상태로 17.8분 동안 머물 것이라는 사실을 계산해 냈습니다. 이 지속 시간은 고급 원자 시계를 제작하거나, 원자의 섬세한 상태를 장기간 보존해야 하는 양자 정보를 저장하는 데 유용할 만큼 충분히 깁니다.

이 상태를 찾기 위해 과학자들은 단 세 개의 이온으로 이루어진 작은 결정을 이용한 영리한 방법을 사용했습니다. 그들은 이 이온들을 일렬로 배열한 뒤, 전기장을 사용하여 가운데 이온이 중심선보다 약간 위 또는 아래의 두 가지 안정적인 위치 중 하나에 놓일 수 있는 상황을 만들었습니다. 이 설정은 마치 민감한 압력계와 같은 역할을 합니다. 떠다니는 가스 분자가 결정에 부딪히면 가운데 이온에 미세한 충격을 주어, 이온이 두 위치 사이를 점프하거나 "호핑(hopping)"하게 만듭니다. 이 호핑이 얼마나 자주 발생하는지를 세는 방식으로, 팀은 챔버 안에 가스 분자가 정확히 몇 개 존재하는지를 결정할 수 있었습니다. 그 후 연구진은 이온에 특별한 장수 상태를 채운 뒤, 충돌로 인해 이온이 밖으로 튕겨 나가기 전까지 얼마나 오래 그 상태를 유지하는지 관찰했습니다. 이온이 오래 머물수록 충돌은 적어지며, 이는 상태의 자연적인 수명을 더욱 정확하게 측정할 수 있게 해주었습니다.

연구진은 또한 장수 상태를 연구할 때 흔히 발생하는 실질적인 문제, 즉 실험이 끝난 후 원자를 어떻게 다시 정상 상태로 되돌릴 것인가에 대한 문제도 해결했습니다. 만약 원자가 장수 상태에 갇히게 되면 빛을 내지 않게 되어, 결과를 읽는 데 사용되는 검출기에서 보이지 않게 됩니다. 연구진은 실험을 종료한 후 원자를 원래대로 되돌릴 수 있는 "구조(rescue)" 빔 역할을 할 수 있는 특정 레이저 색상, 즉 701 나노미터의 짙은 붉은 빛을 찾아냈습니다. 이 레이저는 이온을 장수 상태에서 다른 높은 에너지 상태로 부드럽게 밀어 올리며, 이 상태는 자연스럽게 정상 냉각 주기로 떨어지게 됩니다. 이를 통해 연구진은 원자를 잃지 않고 실험을 빠르게 재설정하고 결과를 읽을 수 있습니다. 연구진은 다양한 버전의 이터븀 원자에 대해 이 구조 레이저의 정확한 주파수를 측정하여, 이 경로가 신뢰할 수 있게 작동함을 확인했습니다.

이 연구의 함의는 단순히 시간을 측정하는 것을 넘어섭니다. 연구팀이 연구한 특정 상태는 정보를 오류로부터 보호하는 데 사용할 수 있는 복잡한 내부 구조를 가지고 있습니다. 양자 컴퓨팅의 세계에서 정보는 매우 취약하며 환경에 의해 쉽게 손상될 수 있습니다. 그러나 특정 원자 구조는 자연적으로 이러한 오류에 저항하도록 설계될 수 있습니다. 이터븀 이온의 새로운 상태는 이러한 오류 보호를 위한 크고 견고한 플랫폼을 제공하며, 잠재적으로 더 강력하고 신뢰할 수 있는 양자 컴퓨터를 가능하게 합니다. 연구팀은 이 상태가 유용성을 망칠 수 있는 숨겨진 빠른 붕괴 경로를 가지고 있지 않음을 확인했으며, 이는 이 상태가 미래 기술의 유력한 후보임을 입증합니다. 이 상태가 거의 18분 동안 지속될 수 있음을 증명하고 레이저로 이를 제어하는 방법을 보여줌으로써, 연구진은 차세대 정밀 기기와 양자 기기를 위한 이터븀 이온 사용의 새로운 문을 열었습니다.

기술 요약: 10분 이상의 수명을 가진 Yb+ 내 메타스테이블 상태(Metastable State)

문제 및 배경
포획된 이터븀 이온(Yb+)은 광 주파수 표준 및 양자 정보 처리를 위한 다재다능한 플랫폼 역할을 한다. 홀수 동위원소( $^{171}$ Yb+, $^{173}$ Yb+)의 $2F_{7/2}$ 상태는 메타스테이블 큐비트를 제공하지만, 최근의 이론적 및 실험적 노력은 고급 양자 오류 정정(QEC) 코드를 구현하기 위해 각운동량 다중도( $J$ )를 확장하는 데 집중해 왔다. 이러한 코드들은 코드 거리를 늘리고 논리적 오류를 억제하기 위해 큰 $J$ 상태( $J > 3$ 에서 $J > 10$ 까지)를 요구하는 경우가 많다. 그러나 Yb+의 많은 고- $J$ 상태들은 긴 시간 동안의 저장 용도를 제한하는 자기 쌍극자(M1) 붕괴 경로를 가지고 있다. $3[11/2]^o_{9/2}$ 상태(30,224 cm $^{-1}$ )는 다른 $J$ - $K$ 결합 상태로의 M1 붕괴 경로가 없어, 이론적으로 양자 메모리나 클락워크(clockwork)에 적합한 긴 복사 수명을 제공하므로 추가적인 큐비트 다중도의 유망한 후보로 식별되었다. 본 연구 이전에는, 이 상태의 수명을 직접 실험적으로 검증하고 실용적인 제어 메커니즘(예: 리펌핑)을 개발하여 그 유용성을 입증하는 과정이 필요했다.

방법론
저자들은 4.00 G 자기장이 인가된 무선 주파수 폴 클립(Paul trap) 내에서 포획된 Yb+ 이온( $^{171}$ Yb+, $^{172}$ Yb+, $^{174}$ Yb+)에 대해 레이저 분광법 및 수명 측정을 수행하였다.

상태 준비: 이온들은 $2S_{1/2} \leftrightarrow 2D_{5/2}$ 전기 사중극자(E2) 전이를 통해 바닥 상태( $2S_{1/2}$ )와 메타스테이블 $2F_{7/2}$ 상태 사이를 순환한다. 그 후, $2F_{7/2} \leftrightarrow 3[11/2]^o_{9/2}$ E2 전이에 공명하는 레이저를 사용하여 타겟인 $3[11/2]^o_{9/2}$ 상태로 인구를 전이시킨다.
수명 측정: 충돌이 없는 수명은 이온이 쉘빙(shelved)된 $3[11/2]^o_{9/2}$ 상태에서 냉각 사이클로 돌아오는 "양자 점프(quantum jumps)"를 관찰함으로써 결정되었다. 배경 가스에 의한 콜리전 퀀칭(collisional quenching)으로부터 복사 수명을 분리하기 위해, 저자들은 이중 안정 쿨롱 결정 매노미터(bi-stable Coulomb-crystal manometer)를 활용하였다. 3-이온 결정이 "지그-재그(zig-zag)" 꺾임 상태로 구성되었는데, 여기서 중앙의 이온은 배경 가스와의 충돌 시 두 개의 안정적인 위치("zig"와 "zag") 사이를 이동한다. 저자들은 호핑 속도( $\Gamma_h$ )를 국부 압력의 대리 지표로 측정하고 이를 메타스테이블 상태에서의 체류 시간과 상관시켜, $\Gamma_h \to 0$ 인 극한에서의 충돌 없는 수명( $\tau_0$ )을 외삽하였다.
리펌프 및 분광: 메타스테이블 상태의 긴 수명을 해결하기 위해, 저자들은 리펌프 경로를 조사하였다. 그들은 701 nm에서 $3[11/2]^o_{9/2} \leftrightarrow 3[7/2]^o_{5/2}$ 전이를 식별하고 구동하였다. 들뜬 $3[7/2]^o_{5/2}$ 상태는 전기 쌍극자(E1) 채널을 통해 $2D_{3/2}$ 및 $2D_{5/2}$ 상태로 붕괴하며, 이 상태들은 이미 표준 냉각 사이클에서 효율적으로 리펌프된다. 또한 $^{171}$ Yb+의 초미세 구조를 맵핑하여 초미세 $A$ 계수를 결정하였다.

주요 결과

복사 수명: $3[11/2]^o_{9/2}$ 상태의 충돌 없는 복사 수명은 17.8(6) 분으로 측정되었다. 이 값은 많은 양자 정보 응용 분야에서 요구되는 10분 임계값을 초과하며, 최근의 이론적 계산값(인용된 이론값은 40.93분임)과 일치한다(단, 실험적 하한치는 견고하다).
전이 주파수: 저자들은 $^{172}$ Yb+(263.985 96(2) THz)와 $^{174}$ Yb+(263.983 92(2) THz)에 대한 $2F_{7/2} \leftrightarrow 3[11/2]^o_{9/2}$ 전이 주파수를 측정하였다. $3[11/2]^o_{9/2} \leftrightarrow 3[7/2]^o_{5/2}$ 리펌프 전이 주파수는 $^{172}$ Yb+의 경우 427.898 78(2) THz, $^{174}$ Yb+의 경우 427.898 86(2) THz로 측정되었다.
초미세 계수: $^{171}$ Yb+의 $3[11/2]^o_{9/2}$ 상태에 대한 초미세 $A$ 계수는 389(5) MHz로 결정되었다. $3[7/2]^o_{5/2}$ 상태의 경우, 계수는 −310(10) MHz로 측정되었다.
콜리전 퀀칭: 이중 안정 결정 매노미터를 사용하여, 저자들은 배경 가스에 의한 $3[11/2]^o_{9/2}$ 다중도의 콜리전 퀀칭이 $2F_{7/2}$ 상태보다 더 효율적임을 관찰하였으나, 장치의 기본 압력에서의 수명은 여전히 10분을 초과하였다.

의의 및 주장
본 논문은 $3[11/2]^o_{9/2}$ 상태가 포획된 Yb+ 이온을 위한 실행 가능하고 오래 지속되는 큐비트 다중도임을 입증한다. 약 18분에 달하는 것으로 입증된 수명은 원자 시계 및 양자 정보 처리에 사용되기에 충분하다. 701 nm 리펌프 전이의 성공적인 식별 및 벤치마킹은 빠른 인구 회복 메커니즘을 제공하며, 이는 메타스테이블 다중도 내의 미세 구조에 대한 양자 비파괴(QND) 측정 및 클락 또는 큐비트 응용을 위한 효율적인 판독에 필수적이다.

저자들은 이 연구가 접근 가능한 무선 주파수 초미세 분리(1.94(2) GHz)와 긴 수명을 고려할 때, $^{171}$ Yb+에서 최첨단 초미세 큐비트를 비교적 용이하게 구현할 수 있게 한다고 주장한다. 또한, $3[11/2]^o_{9/2}$ 다중도는 기존의 "omg" 스킴을 보강하여, 활성 동작 중 광학적으로 격리된 큐비트 다중도를 제공한다. 짝수 동위원소의 경우, 이 다중도는 계산 상태가 스트레치 상태( $m_J = \pm 9/2$ )로 정의되는 스핀-캣(spin-cat) 인코딩을 위한 플랫폼을 제공하며, 이는 잠재적으로 각운동량에 따라 지수적으로 스케일링되는 논리적 오류를 억제할 수 있게 한다. 본 연구는 $3[11/2]^o_{9/2}$ 상태가 정밀 측정 및 양자 오류 정정 분야에서 포획된 이온 시스템의 역량을 확장하는 데 있어 핵심적인 자원임을 검증한다.

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