수천 개의 얽힌 핵을 갖춘 새로운 레지스터로 양자 네트워크를 확장

케임브리지 대학의 캐번디시 연구소 연구원들은 양자 기술 분야에서 획기적인 성과를 거두며 반도체 양자점 내부의 원자를 사용하여 기능적인 양자 레지스터를 만들어냈습니다.

Nature Physics 에 게재된 이 연구는 새로운 유형의 광학적으로 연결된 큐비트의 도입을 보여줍니다. 이는 안정적이고 확장 가능하며 다재다능한 양자 노드가 필수적인 양자 네트워크 개발에 있어 중요한 진전입니다.

양자점은 양자 역학적 효과에서 비롯된 고유한 광학적 및 전자적 특성을 가진 나노스케일 물체입니다. 이러한 시스템은 이미 디스플레이 화면 및 의료 영상과 같은 기술에 사용되고 있으며, 양자 통신에 채택된 것은 주로 밝은 단일 광자 소스로 작동할 수 있는 능력 때문입니다.

그러나 효과적인 양자 네트워크는 단일 광자 방출 이상이 필요합니다. 광자와 상호 작용하고 양자 정보를 로컬하게 저장할 수 있는 안정적인 큐비트도 필요합니다. 새로운 연구는 양자점을 형성하는 원자의 고유한 스핀을 기반으로 장기간 정보를 저장하는 기능하는 다체 양자 레지스터로 구축합니다.

다체 시스템은 상호 작용하는 입자의 집합을 말합니다. 여기서는 양자점 내부의 핵 스핀이 있으며, 그 집합적 행동은 개별 구성 요소에는 없는 새로운 신생 속성을 발생시킵니다. 이러한 집합적 상태를 사용하여 연구자들은 견고하고 확장 가능한 양자 레지스터를 만들었습니다.

케임브리지 팀은 린츠 대학의 동료들과 긴밀히 협력하여 13,000개의 핵 스핀을 '어둠 상태'라고 알려진 집합적이고 얽힌 스핀 상태로 성공적으로 준비했습니다. 이 어둠 상태는 주변 환경과의 상호 작용을 줄여 더 나은 응집성과 안정성으로 이어지고 양자 레지스터의 논리적 '제로' 상태로 작용합니다. 그들은 단일 핵 마그논 여기로 보완적인 '하나' 상태를 도입했습니다.

이는 핵 앙상블을 통해 전파되는 단일 핵 스핀 플립을 포함하는 응집파와 같은 여기를 나타내는 현상입니다. 이러한 상태를 함께 사용하면 양자 정보를 높은 충실도로 쓰고, 저장하고, 검색하고, 읽을 수 있습니다. 연구원들은 완전한 작동 주기를 통해 이를 입증하여 거의 69%의 저장 충실도와 130마이크로초를 초과하는 응집 시간을 달성했습니다. 이는 확장 가능한 양자 노드로서 양자점에 있어 큰 진전입니다.

"이 획기적인 발견은 양자 장치를 변형하는 데 많은 신체 물리학이 미칠 수 있는 힘에 대한 증거입니다."

연구의 공동 수석 저자이자 Cavendish 연구소의 물리학 교수인 Mete Atatüre가 말했습니다.

"오랜 한계를 극복함으로써, 양자점이 어떻게 다중 큐비트 노드 역할을 할 수 있는지 보여 주었고, 통신 및 분산 컴퓨팅에 응용되는 양자 네트워크의 길을 열었습니다. 2025년 국제 양자의 해에, 이 연구는 또한 Cavendish 연구소에서 양자 기술의 약속을 실현하기 위해 이루어지고 있는 혁신적인 진전을 강조합니다."

이 연구는 반도체 물리학, 양자 광학, 양자 정보 이론의 독특한 결합을 나타냅니다. 연구자들은 고급 제어 기술을 사용하여 갈륨 비소(GaAs) 양자점에서 핵 스핀을 분극시켜 견고한 양자 작업을 위한 저잡음 환경을 만들었습니다.

"양자 피드백 기술을 적용하고 GaAs 양자점의 놀라운 균일성을 활용함으로써, 우리는 통제되지 않은 핵 자기 상호 작용으로 인한 오랜 과제를 극복했습니다."

이 프로젝트의 공동 수석 저자이자 양자 기술 부교수인 도리안 갱글로프가 설명했습니다. "이 획기적인 발견은 양자점을 작동 양자 노드로 확립할 뿐만 아니라 새로운 다체 물리학과 새로운 양자 현상을 탐구할 수 있는 강력한 플랫폼을 제공합니다."

앞으로 케임브리지 팀은 제어 기술을 개선하여 양자 레지스터가 정보를 저장할 수 있는 시간을 수십 밀리초로 늘리는 것을 목표로 합니다.

이러한 개선을 통해 양자점은 먼 양자 컴퓨터를 연결하는 데 중요한 구성 요소인 양자 반복기에서 중간 양자 메모리로 적합해질 것입니다. 이 야심 찬 목표는 양자점을 사용하여 양자 메모리 기술을 발전시키기 위해 Linz 및 기타 유럽 파트너와 협력하는 새로운 QuantERA 보조금인 MEEDGARD의 초점입니다.

현재 연구는 EPSRC, 유럽 연합, 미국 해군 연구국 및 왕립 학회의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/01/250128221107.htm