ETH 취리히, 단일 이온으로 칩 표면 3차원 전자기장 기록적 감도 매핑

배경: 소형화 이온 트랩의 고질적 문제

이온 포획 기술은 양자 컴퓨터와 양자 센서의 핵심 플랫폼으로 발전해 왔다. 초기의 대형 트랩 장치는 현재 칩 위에서 이온을 수십~수백 마이크로미터 높이에서 구속·조작하는 소형 트랩 칩으로 대체되고 있다. 이러한 소형화는 집적도와 제어 효율을 높이지만, 칩 자체에서 발생하는 전자기 잡음이 이온의 양자 상태를 교란한다는 근본적 한계가 있다. 이 잡음의 물리적 기원은 30년 넘게 규명되지 않은 채 남아 있었다.

페닝 트랩으로 가능해진 3차원 이동

ETH 취리히 양자전자공학연구소(Institute for Quantum Electronics) Jonathan Home 교수 연구팀은 2년 전 개발한 페닝 트랩(Penning trap) 기반 칩을 이번 측정에 활용했다. 일반적인 무선주파수(RF) 트랩이 진동 전기장으로 이온을 구속하는 방식과 달리, 페닝 트랩은 정적 전기장과 정적 자기장의 조합을 이용한다. 이 구조 덕분에 이온을 3차원 공간에서 임의 위치로 이동시킬 수 있으며, 트랩 내부에 별도의 진동 전기장이 없어 칩에서 발생하는 미약한 잡음 신호를 방해 없이 감지할 수 있다. 칩 표면으로부터의 높이는 50~450 마이크로미터 범위에서 조절되며, 200×200 마이크로미터 면적을 스캔할 수 있다.

측정 원리와 기록 감도

연구팀은 먼저 레이저 빔으로 포획된 베릴륨(Be) 이온을 냉각해 양자역학적 최저 진동 상태로 준비한다. 이후 트랩 전극 전압을 조정해 이온을 목표 위치로 이동시키고, 일정 시간 대기한다. 이 대기 시간 동안 칩에서 유래한 진동 전기장이 이온에 지속적으로 힘을 가하며 이온의 진동 상태를 변화시킨다. 연구팀은 추가 레이저 펄스로 이 변화를 판독하고 전기장 세기를 역산한다. 이 방식으로 1초 측정 시간 기준 진폭 10나노볼트/미터의 진동 전기장 검출에 성공했다. 수 킬로미터 밖에서 측정된 휴대전화 전자기장보다 1만 배 약한 수준으로, 칩 트랩 기반 시스템 중 최고 감도다. 정적 전기장은 이온의 변위를 현미경으로 관찰해 측정하고, 자기장은 이온의 에너지 준위 변화를 통해 파악한다.

잡음원 분류와 소재 평가 도구로의 활용

이 기법의 또 다른 강점은 페닝 트랩을 외부 전압원에서 완전히 분리할 수 있다는 점이다. 기존 연구에서는 환경 간섭 요인을 가정에 기반해 처리할 수밖에 없었지만, 이 방법은 외부 영향을 실험적으로 배제하고 칩 자체의 잡음원을 모델 계산과 직접 비교함으로써 서로 다른 간섭원을 구분할 수 있게 한다. 연구팀은 향후 이 기법을 칩 표면 소재 특성 평가에 적용할 계획이다. 다양한 표면 재료를 이온으로 스캔해 전기장 잡음이 가장 적은 소재를 선별하고, 양자 컴퓨터 및 양자 센서용 트랩 칩 제조 공정 최적화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.