칩 규모로 축소된 포획이온 레이저 시스템, 광시계·양자컴퓨팅 응용 가능성 제시

배경: 포획이온 기술의 소형화 장벽

포획이온 기반 양자컴퓨터와 광시계는 레이저, 극저온 냉각기, 진공 챔버, 광학 기준 공진기 등 다양한 장비를 조합해 운용된다. 이 가운데 광학 기준 공진기는 전체 장치 부피의 절반 이상을 차지하면서도, 이온의 양자 상태를 제어하는 데 필요한 레이저 주파수 안정화에 핵심적 역할을 한다. 이온은 양자컴퓨팅의 큐비트로 활용될 수 있고, 광시계에서는 이온이 특정 원자 에너지 준위 사이에서 일어나는 1 Hz 미만의 '시계 전이'를 통해 시간 기준을 제공한다. 소형화는 이 기술의 실용화와 이동성 확보에 있어 오랜 과제였다.

핵심 구성: 집적 브릴루앙 레이저와 코일 공진기

연구팀은 두 가지 칩 기반 소자를 결합해 안정화 레이저 시스템을 구현했다. 파장 674 nm의 집적 브릴루앙 레이저와, 동일 파장에서 동작하는 길이 3 m의 집적 코일 공진기 캐비티가 그것이다. 브릴루앙 레이저는 기존 방식에서 요구되는 별도의 주파수 변환 장비를 불필요하게 만들고, 표준 전자 피드백 루프로는 달성할 수 없는 고주파 노이즈 저감을 제공한다. 코일 공진기는 중·저주파 노이즈를 추가로 억제해 레이저 반송파 주파수를 1 Hz 미만의 시계 전이에 잠금(lock)할 수 있을 만큼 안정화한다.

검증: 상온 단일 표면 전극 트랩에서의 측정

연구팀은 이 시스템의 안정성을 단일 표면 전극 트랩(SET) 칩에 포획된 스트론튬-88 이온(⁸⁸Sr⁺)의 0.4 Hz 사극자 광시계 전이를 측정함으로써 검증했다. 이 전이는 현재 양자 연구자들이 활용하는 가장 정밀한 전이 중 하나로, 좁은 선폭 덕분에 고분해능 포획이온 분광법으로 측정하기에 적합하다. 측정된 앨런 편차(Allan deviation)는 5.3 × 10⁻¹³으로, 상온 칩 시스템으로서는 전례 없는 수치다. 특히 별도의 극저온 환경 없이 상온에서 이 수준의 정밀도를 달성했다는 점이 주목된다.

향후 목표와 응용 범위

연구팀은 현재 충실도가 전통적 방식의 최고 성능 장치에는 미치지 못함을 인정하면서도, 이를 차세대 클록 및 수백만 큐비트 규모 양자컴퓨터를 향한 중요한 첫 단계로 평가한다. 최종 목표 안정도는 10⁻¹⁴에서 10⁻¹⁶ 범위로, 이 수준이 달성되면 달·화성 탐사 임무에서 GPS 기반 항법을 대체하고, 중력파 검출·암흑물질 탐색·일반상대성 측정 등 기초과학 분야에서도 활용 가능성이 열린다. 현재 연구팀은 이온 트랩 칩, 광학 캐비티 칩, 기타 광자 소자를 단일 풀아키텍처 칩으로 통합하는 작업을 진행 중이며, 100개 이상의 이온으로 구성된 격자 구조로의 확장도 검토하고 있다.