Stanford 연구진, 질화리튬 나노공진기로 포논 양자 도약 첫 관측…초전도 큐비트 결합

이온·광자에 이어 포논으로 확장된 양자 도약 관측

양자 도약이란 양자 시스템이 들뜬 에너지 상태에서 바닥 상태로 불연속적으로 전이하는 현상이다. 이 현상은 1980년대에 이온에서, 2000년대에 광자에서 각각 처음 관측됐다. Amir Safavi-Naeini 교수가 이끄는 Stanford 연구팀은 이번에 기계적 진동의 양자 단위인 포논에서도 동일한 현상을 검출하는 데 성공했다. 포논은 소리를 비롯한 일상적인 물리 현상의 기반이 되는 진동 모드라는 점에서, 이번 성과는 양자 거동을 거시 세계에 더 가깝게 끌어온 이정표로 평가된다.

박막 질화리튬과 초전도 큐비트의 결합 방식

연구팀은 압전 소재인 박막 질화리튬(LiNbO₃)을 나노기계 공진기의 핵심 재료로 활용했다. 이 소재는 1950년대부터 벌크 형태로 사용됐지만, 약 10년 전 박막 형태 상용화를 계기로 정밀 나노 가공이 가능해졌다. 압전 효과로 인해 기계적 변형이 생기면 전압이 발생하고, 이 전압을 통해 포논 정보를 초전도 큐비트와 연결한다. 큐비트 상태를 읽어내는 방식으로 공진기 내 포논의 존재 여부를 간접 판별하는 구조다.

수명 4~5 자릿수 개선까지의 공정 혁신

관측 실현의 가장 큰 장벽은 포논의 극히 짧은 수명이었다. 초기 실험에서 포논 수명은 800나노초에 불과해, 들뜬 상태에서 바닥 상태로의 전이를 추적하기 위해 필요한 밀리초 수준에 크게 못 미쳤다. 연구팀이 다양한 손실 원인을 추적한 결과, 소자 표면 결함이 주된 원인으로 지목됐다. 잔류물을 남기는 폴리머 공정 대신 섀도 마스크 방식을 도입해 금속을 증착하는 방식으로 전환한 끝에, 소자 성능을 최종적으로 4~5 자릿수 끌어올렸다. 이 과정에는 세 세대에 걸친 대학원생들의 연구가 누적됐다. 이후 Takuma Makihara와 Erik Szakiel 연구원이 장수명 기계 진동자와 초전도 시스템을 서로의 특성을 훼손하지 않으면서 결합하는 방법을 개발함으로써 실험의 마지막 조건이 갖춰졌다.

양자 오류 정정 및 정밀 계측 응용 가능성

이번 시스템은 공진기 내 포논 수의 홀짝성(parity)을 측정하는 방식으로 작동한다. 이를 통해 양자 상태를 직접 측정하지 않고도 오류 발생 여부를 탐지할 수 있어, 양자 오류 정정 구조에 적합하다. 마이크로파 광자에서 이미 구현된 이항(binomial) 코드는 수명이 긴 입자에서 효율이 높아지므로, 장수명 포논은 유리한 조건을 제공한다. 연구팀은 California Institute of Technology(Caltech)의 Michael Roukes 연구팀과 협력해 단일 단백질 질량의 고정밀 측정에도 이 시스템을 적용하는 방안을 탐색 중이다. 더 나아가 중력장을 매개로 기계 시스템 간 얽힘을 생성할 수 있는지라는 기초과학적 문제도 연구 목표에 포함돼 있다.

향후 과제: 단계적 수명 연장과 10년 로드맵

현재 달성한 포논 수명은 오류 정정 및 단백질 질량 분석 응용을 위해서는 10배, 중력 얽힘 실험을 위해서는 약 100만 배 더 연장돼야 한다. 실험 구성의 추가 수정도 필요하다. 연구팀은 재료 내 근본적인 손실 원인을 단계적으로 규명하면서 향후 10년 안에 이들 실험을 완성한다는 목표를 제시했다.