양자 컴퓨팅 혁신: 주사터널링현미경으로 제어하는 단일 원자 큐비트

IBM 리서치팀이 양자 제어의 랜드마크적 돌파구를 달성했다: 개별 원자가 양자 정보 처리를 위한 신뢰할 수 있는 큐비트로 기능할 수 있음을 입증했다.

새로 발표된 논문 "Coherent spin manipulation of individual atoms on a surface"가 저널 Science에 실렸으며, 단일 원자를 큐비트로 사용하는 첫 성공 사례를 보고한다. 양자 비트, 즉 큐비트는 양자 컴퓨터의 전례 없는 처리 능력을 가능케 하는 기본 단위다.

이 성과는 단일 원자 큐비트가 주사터널링현미경(STM)을 사용해 실현된 첫 사례다. STM은 원자를 하나씩 이미징하고 재배치하는 능력으로 노벨상을 수상한 IBM의 발명품이다. STM의 정밀도는 각 원자 큐비트를 나노미터 정밀도로 배치하고 배열할 수 있게 해 큐비트 네트워크에 대한 세밀한 제어를 제공하므로 결정적이다.

원자 비트에서 큐비트로의 양자적 도약

기존 컴퓨터에서 기본 데이터 단위는 비트로, '0' 또는 '1'만 저장할 수 있다. 반면 큐비트는 두 상태의 중첩(superposition)에 동시에 존재할 수 있으며, 이 특성이 양자 우위의 핵심이다. 중첩 덕분에 양자 프로세서는 수많은 가능성을 한 번에 평가해 특정 계산을 극적으로 가속화한다.

우리 실험은 타이타늄 원자의 스핀이란 양자 물성을 큐비트의 물리적 구현체로 사용한다. 타이타늄 원자의 스핀은 미세한 자기 모멘트를 부여하며, 이는 소형 나침반 바늘과 유사하다. 두 가지 가능한 자기 방향—북쪽 향하거나 남쪽 향함—이 큐비트의 논리적 '0' 또는 '1'을 정의한다. 우리는 타이타늄 원자를 초박막 산화마그네슘 층 위에 올려 이 스핀을 안정화했는데, 이는 자기 모멘트를 보호하고 코히어런스를 보존한다.

타이타늄 원자에게 춤추는 법 가르치기

원자 스핀을 원하는 중첩 상태로 조종하기 위해 STM 팁을 통해 고주파 마이크로파 펄스를 전달한다. 이 마이크로파는 원자의 자기 모멘트를 기울이는 공진 무선주파수 장처럼 작용한다. 펄스 주파수가 스핀 공명과 일치하면 타이타늄 원자는 빠른 세차 운동—라비 진동(Rabi oscillation)을 수행하며 약 20나노초에 한 바퀴 돈다. 펄스 지속시간을 조절해 원자의 세차를 임의 중간 각도에서 멈추게 함으로써 우리가 원하는 어떤 중첩 상태든 인코딩할 수 있다. 이 기술인 펄스 전자 스핀 공명은 STM의 놀라운 감도로 실시간 모니터링된다.

이 단일 원자 큐비트는 자기장에 고도로 민감해 양자 센서로도 기능하며, 인근 원자로부터 미세한 자기 상호작용을 감지할 수 있다. 이 민감성을 활용해 두 타이타늄 큐비트를 얽힘(entangle)시켜 2큐비트 시스템을 구성했다—얽힘에 의존하는 확장 가능한 양자 프로세서를 향한 결정적 단계다.

2큐비트 장치 구성을 위해 STM으로 타이타늄 원자들을 정밀하게 정의된 위치로 조작해 원자 간 간격 1나노미터를 달성했다. 아래 그림은 이 설계된 쌍을 보여준다.

두 원자 간 자기 상호작용—양자 교환 상호작용(quantum exchange interaction)으로 알려짐—은 스핀을 냉장고 자석처럼 반대 방향으로 정렬시킨다. 이 상호작용이 큐비트 간 얽힘을 가능케 해 각 원자독립적으로 기술할 수 없는 공유 양자 상태를 생성한다. 원자 간격과 마이크로파 펄스 파라미터 조정으로 얽힘 정도를 미세 조정할 수 있다.

펄스 스핀 공명을 통한 중첩과 얽힘 제어는 디코히어런스 같은 근본 양자 현상 탐구, 새로운 양자 물질과 자기 분자 테스트의 길을 연다. 이 돌파구는 효과적으로 아날로그 양자 시뮬레이터를 제공해 복잡한 자기 상호작용을 탐구하는 플랫폼이 되며, 이는 차세대 양자 알고리즘에 정보를 줄 수 있다.

참고문헌: Coherent spin manipulation of individual atoms on a surface, Kai Yang, William Paul, Soo-Hyon Phark, Philip Willke, Yujeong Bae, Taeyoung Choi, Taner Esat, Arzhang Ardavan, Andreas J. Heinrich, Christopher P. Lutz, Science 366, 509 (2019)