광학 메타표면 하나로 중성원자 7만 8400개 포획 실증

기존 방식의 병목과 메타표면 접근

중성원자 큐비트 플랫폼에서 포획 가능한 원자 수는 곧 물리 큐비트 수의 상한을 의미한다. 현재 광학 집게(optical tweezer) 배열을 만드는 데 사용되는 SLM·AOD 소자는 구조적으로 동시 생성 가능한 포획점을 약 1만 개로 제한하며, 이것이 오류 내성(fault-tolerant) 양자컴퓨팅을 향한 규모 확장의 핵심 걸림돌이었다. 칭화대의 Zhang Zhongchi·Xue Feng 연구팀은 이 소자들을 2차원 나노구조 배열인 메타표면으로 대체함으로써 이 한계를 돌파했다.

메타표면 설계와 제작 방법

연구팀은 가중 Gerchberg-Saxton 알고리즘으로 280×280 배열, 즉 78,400개의 초점을 만들어 내는 메타표면을 설계했다. 실제 소자는 질화규소(silicon nitride) 나노기둥 구조로 이루어지며, 전자빔 리소그래피와 반응성 이온 식각을 통해 제작했다. 두 공정 모두 표준 CMOS 제조 공정과 호환되므로 대량 생산 적합성이 높다. 이 메타표면은 수만 개의 평면 마이크로렌즈가 겹쳐진 것처럼 작동하며, 단일 레이저 빔을 입력받아 수만 개의 집광점을 독립적으로 생성한다.

성능 지표와 컬럼비아대 비교

구현된 배열의 광도 균일도는 90.6%이며, 개별 빔의 평균 제1암환 반지름은 약 1.017 µm로 단일원자 포획에 적합한 수준이다. SLM·AOD 방식 대비 훨씬 높은 레이저 출력을 감당할 수 있어, 수십만 개 원자를 목표로 하는 향후 실험에 유리하다. 한편 미국 컬럼비아대도 독립적으로 메타표면 기반 배열을 개발해 36만 개 집게 생성(화소 효율 약 300 pixels/tweezer, 균일도 95% 이상)을 달성했다. 칭화대 연구는 높은 레이저 출력 내성에 집중해 약 1,354 pixels/tweezer를 달성했으며, 두 팀의 접근법은 서로 다른 설계 우선순위를 반영한다. 두 연구 모두 메타표면이 SLM·AOD의 확장 한계를 초월하는 플랫폼임을 검증했다는 점에서 의의가 있다.

다음 단계: 외부 배치와 통합 아키텍처

연구팀은 현재 직경 19.5 mm 메타표면을 제작 중이며, 이 소자는 약 1만 8,000개의 광학 포획점을 생성하도록 설계됐다. 특히 이 소자를 진공 챔버 외부에 배치하는 방식을 채택해 1만 개 이상의 원자 포획을 목표로 하고 있다. 장기적으로는 메타표면이 형광 이미징 현미경과 광학 집게 배열을 동시에 대체하는 완전 통합 아키텍처를 지향하고 있어, 중성원자 양자 프로세서 전체 시스템의 소형화·단순화로 이어질 가능성이 있다.

오류 내성 양자컴퓨팅과의 연결

양자 오류 정정 코드는 논리 큐비트 하나를 구현하기 위해 수백 개의 물리 큐비트를 요구한다. 실용적인 오류 내성 양자컴퓨터를 위해서는 수십만 개 이상의 물리 큐비트 확보가 필수적이므로, 포획 원자 수의 대폭 증가는 직접적인 실용성을 갖는다. 다만 포획 수의 증가가 곧 동작하는 큐비트 수의 증가를 보장하지는 않으며, 원자 적재율(loading rate)과 이동·얽힘 게이트 성능 등 후속 과제가 남아 있다.