양자 시스템에서 상호 작용하는 스핀을 정확하게 조작할 수 있는 것은 신뢰할 수 있고 성능이 뛰어난 양자 컴퓨터를 개발하는 데 매우 중요하다.
델프트 공과대학(TU Delft)의 연구원들은 최근 4개의 싱글렛-트리플렛 큐비트(singlet-triplet qubits)가 있는 양자점( quantum dot) 기반 시스템의 범용 제어를 시연했다.
Nature Nanotechnology에 게재된 논문은 양자 정보 처리 시스템의 성공적인 업스케일링에 대한 새로운 가능성을 열 수 있다.
논문의 수석 저자인 리븐 반더시펜은 “우리는 처음에 4×2 양자점 배열에서 모든 이웃 스핀 간의 교환 상호작용을 조정하고 보정하려고 했다. 이 배열은 도트당 스핀이 하나씩 로드되었다.” 말했다.
그는 “우리는 이를 위해 시간 영역 측정을 사용했고, 어느 시점에서 우리는 4개의 소위 싱글릿-트리플릿 큐비트(두 스핀의 공동 상태)에 대한 보편적 제어를 효과적으로 달성했다는 것을 깨달았다. 그 다음에 우리는 양자 연산을 신중하게 벤치마킹하고 큐비트 배열 전체에 얽힘을 만들기 위해 많은 노력을 기울였다”고 덧붙였다.
이 연구 이전에 양자 물리학자와 엔지니어는 최대 2개의 상호 작용하는 싱글릿-트리플릿 큐비트가 있는 시스템에 대한 보편적 제어를 달성할 수 있었다. 4개의 싱글릿-트리플릿 큐비트가 있는 더 큰 양자점 기반 시스템에 대한 제어를 달성한 최초의 결과다.
리븐 반더시펜은 “시스템 각 큐비트는 두 개의 스핀으로 구성되며, 단일 큐비트 연산은 기저대역 전압 펄스로 제어할 수 있다”며 “이것은 두 개의 다른 큐비트 회전 축에 해당하는 두 개의 다른 값 사이의 스핀-스핀 교환 상호 작용을 토글한다. 두 개의 큐비트 게이트의 경우, 게이트 전압 펄스를 사용하여 다른 큐비트에 속하는 스핀 사이의 교환 결합을 활성화한다”고 설명했다.
연구원의 시스템은 게르마늄 양자점의 2 x 4 배열로 구성되어 양자점 사다리를 형성한다. 이 사다리의 가로대를 따라 각 스핀 쌍 사이의 교환 상호 작용을 제어함으로써, 그들은 처음에 시스템의 큐비트 에너지 스펙트럼을 매핑했다.
이후 팀은 해당 이중 양자점의 디튜닝 및 터널링 장벽을 모두 펄싱하여 시스템에서 각 큐비트의 보편적 제어를 실현했다. 이웃 큐비트의 이 두 장벽을 동시에 제어함으로써 궁극적으로 큐비트 간에 정보를 교환하는 양자 게이트를 달성했다(2큐비트 SWAP 스타일 게이트).
연구진은 “이 장치를 작동할 때 모든 8개 스핀이 양자 코히어런트 시간 진화에 참여하는데, 이는 지금까지 반도체 양자점 어레이에서 가장 많은 것”이라며 “연구 결과는 싱글렛-트리플렛 큐비트의 잠재력을 강조합니다. 싱글 큐비트 연산은 이미 99% 이상의 충실도로 상당히 안정적이지만, 중요한 다음 단계는 2큐비트 게이트도 99% 이상의 충실도로 수행할 수 있음을 보여주는 것”이라고 설명했다.
연구는 4개의 싱글렛-트리플렛 큐비트를 사용하여 게르마늄 양자점 기반 시스템의 보편적 제어를 달성하기 위한 유망한 접근 방식을 소개한다. 미래에는 이 방법이 더욱 개선되어 더 큰 나노스케일 양자 시스템을 정밀하게 조작할 수 있다.
이러한 시스템을 정밀하게 조작하면 물리학자는 양자 자기를 포함한 복잡한 물리적 현상을 안정적으로 시뮬레이션할 수 있다. 또한, 보다 진보된 양자 정보 시스템의 개발에 도움이 될 수 있다.
