이터븀 이온 준안정 상태 수명 첫 실측, 양자컴퓨팅·원자시계 응용 주목

연구 배경: 포획 이온과 준안정 상태

현대 원자시계와 포획 이온 방식 양자컴퓨터는 전자기장으로 진공 속에 고정한 이온의 에너지 준위 제어에 의존한다. 이터븀 이온은 두 기술 모두에서 유력한 후보 물질로 꼽혀 왔지만, 바닥 상태로 복귀하기까지 오랜 시간이 걸리는 특정 준안정 상태의 존재 여부와 그 수명은 수십 년간 실험적으로 확인되지 않은 채였다.

실험 방법: 이중 이온 포획으로 정밀 측정

암스테르담대학 물리학연구소(UvA-Institute of Physics) Rene Gerritsma 연구실의 핵심 기법은 두 개의 이터븀 이온을 동시에 포획하는 것이었다. 제1저자인 박사과정생 Zeger Ackerman에 따르면, 한 이온은 분광 측정에, 다른 이온은 측정 대상 준안정 상태를 교란하지 않으면서 시스템을 지속 냉각·안정화하는 데 각각 할당됐다. 이 이중 포획 구성 덕분에 이온이 준안정 상태에 머무는 시간을 정밀하게 기록하고 감쇠 신호로부터 수명을 산출할 수 있었다. 레이저로 높은 에너지 준위로 들뜬 이온은 순차적으로 낮은 준위로 붕괴하는데, 이 경로에서 약 1초, 약 10초, 30초 초과로 추정되는 세 가지 장수명 상태가 관측됐다.

핵심 성과: 1초 상태의 실용 가능성과 35년 전 예측 검증

연구팀이 특히 주목하는 것은 수명 약 1초짜리 준안정 상태다. 계산에 따르면 이 상태는 바닥 상태에서 단일 레이저 펄스만으로 비교적 쉽게 도달할 수 있으며, 이 전이의 예측 강도와 1초라는 수명은 큐비트(qubit) 및 큐디트(qudit) 상태 검출 효율을 크게 높이는 수단으로 활용될 가능성을 시사한다. 아울러 이번 실험은 1990년 이론물리학자 Fawcett과 Wilson이 동일한 준안정 상태에 대해 예측한 수명 5.2초를 35년 만에 실험적으로 검증한 사례이기도 하다. 이터븀 이온의 복잡한 에너지 준위 구조를 감안하면 당시 예측이 상당히 근접한 값이었음이 이번에 확인됐다.

의미와 한계

포획 이온 기반 양자컴퓨터에서 큐비트 상태 판독은 오류율과 직결되는 핵심 과정이다. 단일 펄스로 접근 가능한 장수명 준안정 상태를 보조 검출 채널로 활용하면 측정 충실도(fidelity) 향상에 기여할 수 있다. 원자시계 분야에서도 이런 장수명 상태는 선폭이 더 좁은 전이를 활용할 여지를 제공한다. 다만 30초 초과 수명 상태는 현재 '증거' 수준의 관측에 그치며, 정확한 정량화를 위한 후속 실험이 필요하다. 실제 소자 구현까지는 추가적인 엔지니어링 연구가 뒷받침돼야 한다.