이테르븀 이온의 준안정 상태 수명 첫 실측 — 큐비트 판독·원자시계 정밀도 향상 기대

연구 배경: 왜 이테르븀인가

현대 이온 트랩 기반 양자컴퓨터와 원자시계는 전하를 띤 원자(이온)를 전자기장으로 공중에 붙잡아 놓고, 이온이 점유하는 에너지 준위를 정밀 제어하는 방식으로 작동한다. Yb⁺는 이 두 분야에서 모두 유력한 후보 원소로 주목받아 왔다. 그러나 이 이온이 가질 수 있는 준안정 상태(metastable state) — 바닥 상태로 쉽게 돌아가지 않고 오래 머무르는 에너지 준위 — 의 수명은 지금까지 실험으로 검증된 바 없었다.

실험 방법: 두 이온 동시 포획의 묘수

연구팀은 암스테르담대학교 물리학연구소 Rene Gerritsma 연구실에서 이온 트랩 안에 Yb⁺ 이온 두 개를 동시에 가두는 전략을 택했다. 하나는 레이저로 높은 에너지 준위로 올린 뒤 자연 붕괴 경로를 따라가며 수명을 측정하는 분광용이고, 다른 하나는 시스템을 지속적으로 냉각·안정화하는 역할을 맡았다. 두 번째 이온은 측정 대상인 준안정 상태를 방해하지 않으면서 시스템 안정성을 유지하는 데 기여했으며, 준안정 상태의 이온이 다시 형광을 내기 시작하는 시점을 기록해 수명을 정밀하게 산출했다. 원자 구조 계산도 병행해 실험값을 이론적으로 검증했다.

측정 결과: 세 가지 수명대 확인

실험으로 도출된 준안정 상태의 수명은 크게 세 가지 범주에 해당한다. 약 1초짜리 상태와 약 10초짜리 상태의 붕괴 신호를 명확히 측정했고, 30초 이상으로 추정되는 상태의 존재도 확인했다. 특히 1초 수명의 상태는 단일 레이저 펄스 하나만으로 바닥 상태에서 도달할 수 있다는 계산 결과가 나왔다. 이는 실용적인 관점에서 제어 복잡도를 낮출 수 있다는 의미다.

역사적 의의: 35년 된 이론 예측 검증

1990년대 이론물리학자 Fawcett과 Wilson은 해당 상태의 수명을 5.2초로 예측하고 실험적 확인을 요청한 바 있다. 이번 실측값인 약 1초는 이 예측과 같은 차수에 있어, Yb⁺의 복잡한 에너지 준위 구조를 감안하면 당시 이론이 상당히 정확했음을 뒤늦게 입증한 셈이다. 35년에 걸친 열린 질문에 답을 제시했다는 점에서 원자물리학 분야의 성과로도 평가된다. 연구 결과는 Physical Review A에 게재됐다.

응용 가능성과 한계

연구팀은 1초 수명 상태가 이온 트랩 양자컴퓨터에서 큐비트뿐 아니라 더 많은 에너지 준위를 활용하는 큐디트(qudit)의 상태 판독 정확도를 높이는 데 기여할 수 있다고 본다. 원자시계 쪽에서도 안정된 준안정 상태는 기준 전이 주파수의 불확도를 줄이는 자원이 될 수 있다. 다만 실제 소자 통합까지는 준안정 상태의 일관된 초기화 방법, 열 잡음 및 외부 전자기장 간섭 등 추가 과제가 남아 있어, 응용까지는 추가 연구가 필요하다.