Two-Dimensional Materials toward CMOS-Compatible Scalable Quantum Hardware

양자 컴퓨터를 구축하려는 노력은 새로운 종류의 기계를 발명하는 것이라기보다 극도의 취약성이라는 문제를 해결하는 것에 가깝습니다. 이 기계들의 핵심에는 큐비트가 있는데, 이는 표준 컴퓨터의 단순한 온-오프 스위치와 달리 여러 상태에 동시에 존재할 수 있는 아주 작은 정보 단위입니다. 작동을 위해 이 큐비트들은 미세한 진동, 열, 또는 전기적 소음으로부터 격리되어 완벽한 질서 상태를 유지해야 합니다. 그러나 현실 세계에서 이를 만드는 데 사용되는 재료는 결코 완벽하지 않습니다. 재료에는 미세한 결함, 거친 가장자리, 그리고 제조 과정에서 남은 화학적 잔여물이 포함되어 있는데, 이는 라디오 통신 선의 정전기처럼 작용하여 섬세한 정보를 사용하기도 전에 흐트려뜨립니다. 수십 년 동안 과학자들은 이러한 표면을 매끄럽게 하고 재료를 정제하려고 노력해 왔지만, 복잡한 칩을 만드는 행위 자체가 종종 양자 상태를 죽이는 새로운 결함을 유발하곤 합니다.

에인트호번 공과대학교 연구진의 새로운 관점은 그 해결책이 다른 종류의 재료, 즉 2차원 결정체에 있을 수 있다고 제안합니다. 이것들은 원자 한 층 두께만을 가진 물질로, 마치 원자 한 층 깊이의 종이 한 장과 같습니다. 이들은 매우 얇고 가장자리가 자연적으로 깨끗하기 때문에, 전통적인 재료들이 겪는 지저도하고 거친 인터페이스 없이 양자 소자를 구축할 수 있는 방법을 제공합니다. 연구진은 실질적인 질문을 던지고 있습니다. 이 초박형 시트들을 차세대 컴퓨터 칩에 넣기 위해 이미 개발되고 있는 산업적 방법들을 미래의 양자 프로세서를 구축하는 데에도 사용할 수 있는가 하는 점입니다. 답은 아직 단순한 '예'는 아니지만, 나아갈 길은 점점 더 명확해지고 있습니다. 연구팀은 이러한 재료들이 현재 어디에서 작동하고 있는지, 어디에서 실패하고 있는지, 그리고 실험실의 경이로운 현상을 대량 생산 가능한 기술로 바꾸기 위해 정확히 어떤 실험이 다음에 일어나야 하는지를 지도화했습니다.

단일한 수작업 조립 장치에서 공장 제작 양자 프로세서로 가는 여정은 장애물로 가득 차 있습니다. 실험실에서 과학자는 더 큰 결정에서 2차원 재료의 아주 작은 조각을 조심스럽게 떼어내어 현미경 아래에서 다른 조각과 쌓아 올려 단일 큐비트를 만들 수 있습니다. 이는 한두 개의 장치를 만드는 데는 효과적이지만, 규모를 키울 수는 없습니다. 수천 개의 큐비트를 가진 컴퓨터를 만들기 위해서는 그 과정이 재현 가능하고, 균일하며, 현재 실리콘 칩을 만드는 거대 공장들과 호환되어야 합니다. 연구진은 우리가 개별적인 2차원 큐비트로 인상적인 결과를 보았지만, 아직 그것들이 크고 신뢰할 수 있는 배열로 함께 작동하는 모습은 보지 못했다고 지적합니다. 단일 성공 실험과 제조 가능한 제품 사이의 간극은 넓으며, 그 사이는 제조 과정에서 남겨진 화학적 잔여물, 층 사이에 갇힌 기포, 그리고 웨이퍼의 위치마다 변하는 재료의 편차와 같은 문제들로 채워져 있습니다.

현재 상황을 이해하기 위해 저자들은 현재의 연구를 네 가지 뚜렷한 범주로 분류했습니다. 첫째, 과학자들이 양자 상태를 성공적으로 준비하고, 제어하며, 결과를 읽어낸 '완전히 입증된 큐비트'가 있습니다. 둘째, 회로의 일부로서 의도한 대로 작동하지만 아직 완전한 큐비트로 결합되지 않은 '입증된 구성 요소'가 있습니다. 셋째, 기초 과학은 증명되었으나 이를 활용할 장치가 아직 구축되지 않은 '물리적 현상'이 있습니다. 마지막으로, 아직 테스트되지 않은 종이 위의 아이디어인 '제안된 개념'이 있습니다. 이러한 분류는 우리가 이 재료들로 만든 작동하는 큐비트를 일부 보유하고 있음에도 불구하고, 가장 흥미로운 아이디어 중 다수가 여전히 '제안' 또는 '구성 요소' 단계에 머물러 있음을 보여줍니다. 예를 들어, 과학자들은 상당한 시간 동안 양자 상태를 유지할 수 있는 2차원 재료로 만든 커패시터를 사용하여 초전도 회로를 구축했지만, 이것이 전체 공장 웨이퍼 전체에서 일관되게 수행될 수 있다는 것을 아직 보여주지 못했습니다.

가장 유망한 분야 중 하나는 이 초박형 시트들을 사용하여 초전도 회로를 위한 더 나은 인터페이스를 만드는 것을 포함합니다. 전통적인 초전도 큐비트에서 두 금속 층 사이의 장벽은 흔히 양자 정보의 붕괴를 일으키는 거칠고 무질서한 산화물입니다. 이를 완벽하게 평평한 2차원 결정체로 대체함으로써, 연구자들은 훨씬 더 깨끗한 접합부를 만들어냈습니다. 그들은 이 새로운 접합부가 저항 없이 전기를 운송할 수 있고 전기 게이트에 의해 제어될 수 있음을 보여주었으며, 이는 이전에는 달성하기 어려웠던 수준의 제어를 제공합니다. 그러나 논문은 이러한 개별 장치들은 작동하지만, 통계적 증거는 부족하다고 강조합니다. 우리는 모든 접합부가 대형 시트 상에서 동일하게 작동할지, 혹은 이를 만드는 과정이 수천 개가 연결될 때 나타나는 숨겨진 결함을 유발할지 아직 알지 못합니다.

또 다른 주요 경로 중 하나는 2차원 재료를 사용하여 단일 전자를 가두고 제어함으로써 스핀 큐비트로 사용하는 것입니다. 이 장치들에서 전자의 스핀, 즉 작은 자석과 유사한 성질이 정보를 보유합니다. 연구진은 이중층 그래핀과 같은 재료가 전자를 매우 효과적으로 가둘 수 있어 스핀이 매우 오랫동안 지속될 수 있다고 강조합니다. 구체적으로, 이중층 그래핀의 단일 홀(single-hole) 장치는 극저온에서 38초의 스핀-밸리 이완 시간을 나타냈습니다. 이는 놀라운 성과이며, 재료 자체가 매우 조용하여 전자를 방해하지 않는다는 것을 시사합니다. 하지만 과제는 이 단일 성공 사례를 대규모 칩 전체로 복제하는 것입니다. 현재의 실험은 작고 세심하게 선택된 재료 조각들에 의존하고 있으며, 재료가 대규모로 성장되고 기계에 의해 처리될 때도 동일한 성능을 달성할 수 있을지는 불분명합니다.

또한 2차원 재료를 사용하여 빛으로 제어할 수 있는 큐비트를 만들 수 있는 독특한 기회도 있습니다. 육방정계 질화붕소라고 불리는 결정 내의 특정 결함, 즉 빠진 원자들은 레이저를 사용하여 상온에서도 읽고 쓸 수 있는 양자 비트 역할을 할 수 있습니다. 이는 대부분의 양자 시스템이 작동을 위해 절대 영도 근처를 유지해야 한다는 점을 고려할 때 매우 드물고 귀중한 특성입니다. 연구진은 이런 방식으로 제어할 수 있는 특정 결함들을 식별했지만, 이 작업은 아직 초기 단계에 있습니다. 목표는 이러한 결함들을 필요한 곳에 정확히, 대량으로 생성하고, 그것들이 모두 동일하게 행동하도록 보장하는 것입니다. 현재는 이러한 결함들을 정밀하게 배치하고 사용할 수 있는 높은 수율을 얻는 능력이 주요 병목 구간입니다.

앞으로의 길은 단일한 완벽한 장치를 보는 것에서 벗어나 많은 장치의 통계치를 보는 것으로의 전환을 요구합니다. 논문은 다음의 결정적인 단계가 이러한 재료들이 전체 공장 웨이퍼 전체에서 어떻게 성능을 내는지 측정하는 것이라고 주장합니다. 이는 단지 하나의 큐비트가 작동하는지 확인하는 것이 아니라, 백 개의 큐비트가 작동하는지, 그리고 그들이 모두 동일하게 작동하는지를 확인하는 것을 의미합니다. 여기에는 장치를 파괴하지 않고도 재료와 제조 공정의 품질을 측정하는 새로운 방법들을 개발하는 것이 포함됩니다. 연구진은 공장 바닥의 데이터가 양자 장치의 성능과 직접 연결되는 테스트 사이클을 제안합니다. 만약 특정 제조 단계가 성능 저하를 일으킨다면, 그 단계를 식면하고 수정해야 합니다. 이러한 종류의 엄격하고 데이터 중심적인 접근 방식이 바로 과학적 경이로움과 대규모로 구축 가능한 기술을 구분 짓는 요소입니다.

저자들은 또한 2차원 재료로만 실현될 수 있는 세 가지 구체적인 개념을 전망합니다. 첫 번째는 결정 층 사이의 틈에 희토류 이온을 삽입하여 새로운 유형의 큐비트를 만드는 것입니다. 두 번째 아이디어는 층의 독특한 뒤틀림을 사용하여 외부 자기장 없이도 큐비트로 작동할 수 있는 특별한 종류의 전기 접합을 만드는 것입니다. 세 번째 개념은 두 층의 재료를 뒤트는 패턴을 사용하여 표준 큐비트보다 더 많은 정보를 저장할 수 있는 다층 양자 시스템을 만드는 것입니다. 이러한 아이디어들은 이론적으로 타당하고 일부 실험적 증거에 의해 뒷받침되지만, 여전히 검증되지 않은 상태로 남아 있습니다. 논문은 이것들이 완성된 제품이 아니라 현재의 기술 기술만큼이나 엄격한 검증이 필요한 미래 연구의 방향임을 분명히 하고 있습니다.

궁극적으로, 이 재료들의 가치는 기존의 실리콘 기반 기술을 대체하는 데 있는 것이 아니라, 전통적인 방법으로는 달성하기 어렵거나 불가능한 특정 기능을 추가하는 데 있습니다. 이들은 양자 정보를 죽이는 노이즈를 줄이는 방법, 큐비트 바로 옆에 제어 전자 장치를 통합하는 방법, 그리고 더 깨끗하고 제어 가능한 인터페이스를 만드는 방법을 제공합니다. 연구진은 잠재력은 실재하지만, 그것은 조건부라고 결론짓습니다. 혜택은 제조 공정이 일관되고 고품질인 장치를 생산하도록 정교해질 때만 실현될 것입니다. 그때까지 초점은 이러한 재료들이 단일 실험뿐만 아니라 거대하고 복잡한 양자 프로세서 환경에서도 신뢰성 있게 작동할 수 있음을 증명하는 데 두어야 합니다. 2차원 양자 하드웨어의 이야기는 여전히 쓰여지고 있으며, 다음 장은 몇 번의 성공적인 실험실 시연을 신뢰할 수 있고 확장 가능한 산업으로 전환하는 능력에 달려 있습니다.