양자 정보 기술의 발전은 전자와 다른 미세 입자를 제어하는 새로운 방법을 찾아야 한다.
미국 코넬 대학교 연구원들은 음향 음파를 사용하여 다이아몬드의 격자 결함을 공전하는 전자의 움직임을 제어할 수 있음을 입증했다.
코넬대 물리학 교수 Gregory Fuchs와 박사후 연구원 Brendan McCullian은 동료 연구진과 협력해 음파가 전자 궤도 사이에서 “양자 도약(quantum jumps)”을 구동할 수 있는 환경을 설계했다.
결맞음 음향 제어(Coherent Acoustic Control) 기술은 양자 센서의 감도를 향상시키고 다른 양자 장치에서 사용될 수 있다.
이 연구는 저널 PRX Quantum에 게재됐다.
음향 궤도 제어를 위한 다이아몬드의 벌크 음향파 공진기. 출처: PRX Quantum(2024).
McCullian은 다이아몬드 칩 표면에 미세한 스피커를 만들었는데, 이 스피커는 전자 전이와 정확히 일치하는 주파수에서 작동했다. 그는 자기 공명 영상에서 사용하는 것과 유사한 기술을 사용하여 다이아몬드 칩 내부의 단일 전자에 대한 일관된 제어를 입증할 수 있었다
.
고전 컴퓨터에서 발견되는 비트의 양자 아날로그인 큐비트는 유용한 작업을 수행하기 위해 일관된 상태, 즉 안정된 상태를 유지해야 한다. 이러한 일관성은 매우 취약하며 근처 전자가 한 위치에서 다른 위치로 이동할 때와 같이 환경의 변동으로 인해 쉽게 손실된다. 과학자들은 수년 동안 스핀 공명이라는 기술을 사용하여 큐비트 일관성 시간을 연장했다. 이 기술은 전자 동작을 변경하기 위해 마이크로파와 자기장을 사용한다. Fuchs와 그의 그룹은 이 기술을 음향 영역으로 확장하고 궤도의 일관성을 개선하려고 시도했다.
Fuchs는 “우리는 스핀 공명과 다소 유사한 방식으로 궤도 상태를 음향적으로 구동한 다음, 확립된 스핀 공명 기술 도구 상자를 사용하여 해당 궤도 상태의 응집성을 조사했다”며 “스핀 공명의 궤도 버전을 만들 수 있다는 것은 우리에게 매우 흥미로웠다. 스핀 공명에서 알고 있는 도구(예: 응집 제어 및 라비 진동)를 몇 기가헤르츠 음향 공진기로 사용하여 궤도 상태에 매핑하고 해당 기술이 여전히 유효한지 확인한다”고 말했다.
Fuchs의 작업은 감지 및 양자 네트워킹에 중요한 큐비트인 다이아몬드 결정 격자의 결함인 질소 공동(NV) 센터에 대한 지식을 발전시키는 데 도움이 되며, 스펙트럼 확산으로 이어지는 환경 변동을 해결하는 새로운 도구를 개발하는 데 도움이 된다. 스펙트럼 확산은 방출되는 모든 광자의 주파수가 동일한 안정적인 광학적 전이에 의존하는 양자 네트워킹 애플리케이션에서 주요 문제를 일으킬 수 있다.
Fuchs는 “NV 센터가 이러한 노이즈 소스와 어떻게 상호 작용하는지 조사하고 일반적으로 스핀에 사용하는 도구를 사용하여 상호 작용을 수정하는 방법을 찾음으로써 궤도 상태에서 작동하도록 할 수 있는 방법을 알아냈다”고 말했다.
이 프로젝트는 협업을 통해 이론적 분석을 제공하고 예측과 결과에 대한 이해를 구성하는 데 도움을 받았다.
예술 과학대학 Erich Mueller 물리학 교수는 “음향파는 놀이터 그네를 ‘펌핑’하는 것과 유사한 메커니즘을 통해 전자를 여기시켰다. 진동이 전자 운동과 동기화되면 에너지를 전달할 수 있다. 본질적으로 거대 스피커로 전자 운동을 제어할 수 있다는 것은 정말 놀랍다”고 말했다.
