Superconducting circuits host two-level systems with lifetimes exceeding one second

오늘날의 컴퓨터가 도달할 수 없는 문제를 해결할 수 있는 기계를 구축하려는 탐구 속에서, 과학자들은 기이하고 섬세한 형태의 물질인 초전도 회로에 주목하고 있습니다. 이것은 금속 고리로, 절대 영도에 가까운 온도로 냉각되면 저항 없이 전류가 흐르게 됩니다. 이 회로 내부에서 연구자들은 양자 컴퓨터의 기본 정보 단위 역할을 하는 '큐비트(qubit)'라고 불리는 인공 원자를 만듭니다. 0 또는 1 중 하나인 일반 컴퓨터의 비트와 달리, 큐비트는 두 상태의 조합으로 동시에 존재할 수 있습니다. 그러나 이 큐비트들은 매우 취약합니다. 이들은 주변 환경으로부터 끊임없이 공격을 받으며, 아주 작은 상호작용만으로도 정보를 잃을 수 있는데, 이 과정을 '결맞음 해제(decoherence)'라고 합니다. 수년 동안 과학계는 이 큐비트들이 양자 상태를 유지할 수 있는 시간을 연장하기 위해 주변 환경으로부터 이들을 차단하려고 부단히 노력해 왔습니다. 지배적인 믿음은 큐비트가 더 안정해짐에 따라, 그들의 환경인 노이즈가 섞인 배경이 결국 무시할 수 있을 만큼 조용해질 것이라는 것이었습니다.

독일 카를스루에 공과대학교의 연구팀은 초전도 회로의 환경이 예상보다 훨씬 더 끈질기다는 것을 발견함으로써 이 가설에 도전했습니다. 탄탈륨 금속으로 만들어지고 극저온으로 냉각된 '트랜스몬(transmon)'이라 불리는 특수한 유형의 초전도 회로를 사용하여, 과학자들은 큐비트를 방해할 수 있는 숨겨진 노이즈 소스를 조사했습니다. 그들은 물질 내의 미세한 결함으로서 두 상태 사이를 전환하며 큐비트의 에너지를 앗아갈 수 있는 미니 스위치 역할을 하는 '이준위 계(two-level systems)'를 찾고 있었습니다. 이러한 결함들은 이미 알려져 있었지만, 연구진은 놀라운 사실을 발견했습니다. 바로 특정 부류의 결함들이 1초 이상 에너지를 보유할 수 있다는 점입니다. 이는 큐비트가 보통 1밀리초의 몇 분의 일 만에 상태를 잃는 양자 세계에서는 경이로운 시간입니다.

이러한 놓치기 쉬운 결함을 찾기 위해 연구진은 '양자 점프 상관 분광법(quantum-jump correlation spectroscopy)'이라는 기술을 사용했습니다. 조용한 방에서 연주되는 바이올린의 단일 음을 듣는다고 상상해 보십시오. 만약 그 음이 갑자기 멈춘다면, 당신은 소리가 어디로 갔는지 궁금해할 것입니다. 이 실험에서 큐비트는 바이올린이며, 연구진은 큐비트가 진동을 멈추거나 낮은 에너지 상태로 '점프 다운(jump down)'하는 순간을 관찰합니다. 보통 큐비트가 에너지를 잃으면 그 에너지는 주변 환경 속으로 영원히 사라집니다. 그러나 연구팀은 때때로 큐비트가 광자 하나만큼의 에너지를 잃은 후, 짧은 지연 시간 뒤에 그 에너지가 다시 큐비트로 돌아오는 현상을 관찰했습니다. 이러한 에너지의 귀환은 환경이 단순히 에너지를 흡수한 것이 아니라, 에너지를 장기간 유지하는 상태에 잠시 저장했다가 다시 돌려주었음을 나타냅니다. 이러한 사건들을 면밀히 추적함으로써, 연구진은 수백 밀리초에서 1초 이상 지속되는 에너지를 보유하는 세 가지 특정 결함을 분리해 낼 수 있었습니다.

그 후 연구진은 이 결함들이 정확히 얼마나 오래 에너지를 보유할 수 있는지 측정하는 새로운 방법을 설계했습니다. 그들은 먼저 결함을 들뜨게 하여 에너지로 채운 다음, 그 에너지가 누출될 때까지 기다리는 '펌프-프로브(pump-probe)' 전략을 사용했습니다. 큐비트의 주파수를 결함의 주파수와 약간 다르게 조정함으로써, 그들은 두 요소가 얼마나 강하게 상호작용하는지 제어할 수 있었습니다. 상호작용이 약할 때, 연구진은 결함들이 놀라울 정도로 긴 시간 동안 에너지를 보유한다는 것을 발견했습니다. 실제로 연구 대상이었던 두 결함의 경우, 에너지는 1초 이상 저장되었습니다. 이는 일반적으로 약 100마이크로초 정도 지속되는 큐비트 자체의 수명보다 수십 배나 긴 시간입니다. 이러한 결함들이 에너지를 이토록 오래 저장할 수 있다는 사실은 이들이 세상으로부터 매우 고립되어 있음을 시사하며, 이는 표준 측정 도구로는 탐지하기가 매우 어렵다는 것을 의미합니다.

이 연구는 또한 이 결함들이 실제로 무엇인지에 대한 단서도 제공했습니다. 연구진은 고체 재료 내에서 원자나 분자가 두 위치 사이를 어떻게 이동하는지를 설명하는 데 사용되는 표준 모델과 자신들의 측정값을 비교했습니다. 이 모델은 매우 느리게 움직이고 주변 환경과 매우 약하게 상호작용하는 결함이 매우 긴 수명을 갖게 된다고 제안합니다. 실험 데이터는 이 예측과 완벽하게 일치했으며, 이는 이 장수 결함들이 아마도 두 위치 사이를 매우 느리게 터널링하거나 이동하는 물질의 미세한 구조적 결함일 가능성이 높음을 시사합니다. 연구진이 아직 이 결함의 정확한 화학적 또는 물리적 구조를 단정 지을 수는 없지만, 증거는 자기 불순물이나 갇힌 입자와 같은 다른 가능성으로부터 멀어지고 있습니다(그러한 것들은 다르게 행동할 것이기 때문입니다). 큐비트와 이 결함 사이의 약한 상호작용(수천 사이클 퍼 세컨드 범위로 측정됨)은 이들이 표준 모델에 의해 설명되는 위치적 결함이라는 생각과 일치합니다.

이 발견은 양자 컴퓨터의 환경을 바라보는 과학자들의 관점을 변화시킵니다. 이전에는 큐비트가 더 좋아짐에 따라 남은 노이즈는 수명이 짧고 관리하기 쉬울 것이라고 생각되었습니다. 이제는 가장 끈질긴 노이즈가 몇 초 동안 에너지를 저장할 수 있는 이러한 장수 결함으로부터 온다는 사실이 드러났습니다. 이는 양자 계산의 오류를 수정하는 방법인 양자 오류 정정의 미래에 중요한 함의를 갖습니다. 만약 환경이 큐비트의 상태를 오랫동안 기억한다면, 이는 예측하거나 수정하기 더 어려운 복잡한 오류 패턴을 만들어낼 수 있기 때문입니다. 그러나 연구진은 잠재적인 이점 또한 보고 있습니다. 이 결함들은 양자 정보를 매우 오랫동안 보유할 수 있으므로, 언젠가 양자 회로 내에서 일종의 메모리 형태로 사용될 수도 있습니다. 연구진은 과학자들이 큐비트의 품질을 계속 개선함에 따라, 마치 더 좋은 렌즈를 가진 망원경이 밤하늘의 더 희미한 별들을 밝혀내는 것처럼, 더욱 많은 장수 결함을 마주하게 될 것이라고 제안합니다.

이 논문에 제시된 연구는 초전도 회로 내부의 미시적 세계를 이해하기 위한 새로운 틀을 확립합니다. 이는 초전도 회로가 이 맥락에서 이전에는 불가능하다고 여겨졌던 초 단위의 시간을 지속하는 미시적 자유도를 탐지하는 민감한 프로브 역할을 할 수 있음을 입증합니다. 이러한 결함의 정확한 성격은 여전히 추가 조사가 필요한 주제이지만, 그 수명과 결합 강도를 측정할 수 있는 능력은 이들을 제어하기 위한 결정적인 단계입니다. 이 장수 시스템들을 반드시 제거해야 할 골칫거리로 볼 것인지, 아니면 활용할 수 있는 자원으로 볼 것인지에 관계없이, 그 존재는 양자 기술의 지형을 근본적으로 변화시키고 있습니다. 연구진은 조용하고 끈질기며, 도전과 발견의 잠재력으로 가득 찬 양자 환경의 숨겨진 층으로 향하는 문을 열었습니다.