프린스턴대, 에르븀 이온 쌍으로 통신망 호환 다큐비트 게이트 구현

연구 배경: 양자 네트워크 노드가 갖춰야 할 조건

광자를 매개로 원거리 양자 장치들을 연결하는 양자 네트워크를 구현하려면, 각 노드에서 단일 광자 방출뿐 아니라 정보의 로컬 저장·처리 기능도 동시에 충족해야 한다. 결정 내 원자 결함을 활용하는 접근법에서는 결함 주변에 존재하는 여러 스핀을 구별하고 제어해 기초 양자 연산을 수행할 수 있어야 한다. 프린스턴대 연구팀은 희토류 이온인 Er³⁺가 이 요건을 동시에 충족할 가능성이 있다고 보고 실험에 나섰다.

실험 구성: 나노포토닉 공진기와 이온 쌍 개별 제어

연구팀은 CaWO₄ 기판 표면 근처에 Er³⁺ 이온을 얕게 주입하고, 실리콘 나노포토닉 공진기를 결합해 광학 인터페이스를 구성했다. 핵심 아이디어는 개별 Er³⁺ 이온이 서로 약간씩 다른 광학 전이 주파수와 스핀 전이 주파수를 갖는다는 점에 있다. 연구팀은 이 주파수 차이를 이용해 수 나노미터 간격으로 배치된 두 이온을 레이저 펄스로 개별 제어했다. 이온 쌍은 이중 전자-전자 공명(DEER) 분광법으로 확인했으며, 동역학적 디커플링 시퀀스를 적용해 이온 간 자기 쌍극자 상호작용을 2큐비트 게이트로 전환했다. 인접 핵스핀에 대한 전자-핵 게이트는 수치 최적 제어 방법인 GRASS 알고리즘으로 설계했다.

핵심 성과: 양자 비파괴 측정과 핵스핀 메모리

연구팀은 구현한 전자-전자 게이트를 이용해 한 스핀으로 다른 스핀을 반복 측정하는 양자 비파괴(QND) 측정을 수행했다. 또한 전자-핵 게이트를 통해 큐비트 정보를 핵스핀에 저장하고 회수했는데, 이 핵스핀의 결맞음 시간은 약 1초 수준으로 나타났다. 특히 원거리 전자 스핀에 대한 반복적인 광학 여기와 측정이 이뤄지는 동안에도 핵스핀 메모리가 유지됨을 확인했다. 이는 희토류 이온 큐비트 계열에서 이전까지 입증된 바 없던 특성으로, 얽힘 스와핑과 얽힘 정제에 필수적인 기능이다.

통신망 호환성과 확장 가능성

이번 연구에서 사용된 Er³⁺ 이온의 광학 전이는 1.5마이크로미터 통신 대역에 위치한다. 이는 별도의 주파수 변환 없이 기존 광섬유 통신 인프라에 연결할 수 있음을 의미한다. 연구팀은 이 구조를 확장해 더 많은 스핀을 포함하는 스핀 레지스터를 구성하고, 다수의 양자 연결을 동시에 관리하는 다중화 양자 중계기 노드 구현으로 이어갈 수 있다고 전망한다.

현재의 한계와 후속 과제

이번 실험은 전자 스핀 2개와 핵스핀 1개로 구성된 소규모 개념 증명 단계에 머물러 있다. 게이트 충실도는 주로 전자 스핀의 결맞음 특성에 의해 제한되며, 연구팀은 전자 스핀 결어긋남의 미시적 원인을 규명하는 것을 우선 과제로 꼽았다. 향후에는 공간적으로 패터닝된 에르븀 이온 클러스터를 형성해 더 큰 스핀 레지스터를 시연하고, 논리 큐비트를 활용한 양자 통신으로 나아가는 것이 연구팀의 계획이다.