왜 GaP-on-다이아몬드인가
양자 네트워크를 실용화하려면 큐비트에 저장된 정보를 광자로 변환해 광섬유망으로 전송하는 기술이 필수적이다. 다이아몬드의 SiV 결함은 스핀 상태를 광자와 결합할 수 있어 유망한 큐비트 후보로 꼽혀 왔다. 그러나 순수 다이아몬드 기반 소자는 스위치·변조기 등 부가 광학 소자를 단일 칩에 통합하기 어렵다는 한계가 있었다. GaP는 강한 비선형 광학 특성 덕분에 주파수 변환, 스위칭, 변조 기능을 칩 위에 직접 구현할 수 있어 두 재료의 장점을 결합하려는 시도가 10년 이상 이어져 왔다.
핵심 난제: 공간 분리 문제와 고협력성 달성
GaP-on-다이아몬드 구조의 고질적 문제는 GaP 포토닉층과 다이아몬드 내부의 SiV 결함이 물리적으로 분리되어 있다는 점이다. 상호작용이 충분히 강하지 않으면 결정론적 큐비트 제어에 필요한 '고협력성(high cooperativity)' 영역에 도달하지 못한다. 과거에는 다이아몬드를 부분적으로 식각(etching)해 이 간격을 줄였으나, 이 방법은 표준 공정이 아니어서 대량 생산에 적합하지 않았다. 연구팀은 2023년 다이아몬드를 변형하지 않는 스탬프 전사(stamp-transfer) 공정을 도입했지만, 당시에는 광학 상호작용이 실용 수준에 미치지 못했다. 이번 연구에서는 구조 설계 자체에 SiV와 포토닉층의 물리적 분리 변수를 설계 최적화 과정에 포함시켜 성능을 대폭 향상시켰다.
99.5% 수율, 단일 샷 판독까지
연구팀은 반복적인 공정 개선 끝에 스탬프 전사 수율을 거의 100%에 근접하게 끌어올리고, 2mm 다이아몬드 칩 위에 600개 이상의 GaP 나노포토닉 공동(cavity)을 99.5% 수율로 제작하는 데 성공했다. 소자는 4K 환경의 극저온 냉각기에 탑재해 성능을 검증했다. 레이저를 이용한 테스트에서 협력성이 1을 초과(above-unity cooperativity)함을 확인했다. 이는 SiV의 스핀 상태 전환이 소자에서 산란되는 빛을 통해 신뢰성 있게 감지될 만큼 상호작용이 충분히 강하다는 의미다. SiV의 각 스핀 상태는 고유한 스펙트럼 특성을 나타내, 큐비트가 상태 간 전환하는 과정을 광학적으로 추적할 수 있었다. 스핀 완화 시간은 0.4밀리초를 상회했으며, 이를 바탕으로 SiV 전자 스핀의 단일 샷 판독(single-shot readout)도 달성했다.
향후 과제와 확장 가능성
다음 단계는 동일 칩 위에 두 개 이상의 GaP-on-다이아몬드 SiV 소자를 연결하고 얽힘(entanglement)을 구현해 더 큰 양자 레지스터를 구성하는 것이다. 또한 스위칭·변조·도파로를 SiV 큐비트와 단일 칩에 통합하는 방향으로 공정을 계속 최적화할 계획이다. 연구팀은 이 하이브리드 통합 방식이 SiV-다이아몬드 플랫폼에 한정되지 않고, 탄화규소(SiC)나 2D 소재의 단일 에미터 등 다른 양자 에미터 플랫폼에도 응용될 수 있다고 밝혔다. 다만 현 단계에서는 단일 소자의 기본 특성 검증에 그쳐 있으며, 복수 큐비트 연결·얽힘 시연 및 실온 운용 가능성 등은 후속 연구에서 확인해야 한다.
원문 인용
“Until now, it has been difficult to achieve high cooperativity with GaP-on-diamond because the GaP photonic layer was spatially separated from the SiV centers in the diamond.”
“If GaP-on-diamond proves to be a viable path forward, it could be among the most straightforward paths to realizing quantum networks at scale.”
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이 글은 Claude 가 원문의 사실을 재구성한 편집 요약입니다. 원제: Hybrid diamond chip strengthens interactions between light and quantum bits
