​중국 과학 기술 대학교 고성능 집성 가능한 솔리드 스테이트 퀀텀 메모리 구현

중국 과학 기술 대학교 궈광찬(郭光灿) 원사팀은 퀀텀 메모리 영역에서 중요한 진전이 있다. 이 팀의 리촨펑(李传锋), 저우쭝취안(周宗权) 등은 초속 레이저 미세 가공 기술을 이용하여 높은 보안도를 가진 집성 가능한 솔리드 스테이트 퀀텀 메모리를 개발하였으며 자체 연구 디바이스에 의해 처음으로 희토류 이온의 전자 스핀 및 핵 스핀 상간의 수명의 전반인 향상을 실현하였다.관련 성과는 유명 물리학기지인 옵티카(Optica)와 피지컬리뷰 어플라이드(Physical Review Applied)에  2월 20일과 28일에 각각 발표되었다.

퀀텀 메모리는 퀀텀 네트워크를 구축하는 핵심 부품으로 신뢰성 손실을 효과적으로 극복함으로써 퀀텀통신의 근무거리를 넓히고 타지의 퀀텀 컴퓨팅 및 퀀텀 센싱 자원을 통합할 수 있다.리촨펑(李傳鋒),저우쭝취안(周宗權) 연구팀은 오랜 기간 희토류 혼합 결정체에 기초한 솔리드 스테이트 퀀텀 메모리 연구에 주력해 솔리드 스테이트 퀀텀 메모리의 보전도,차원수,다중 모드 용량 등 세 가지 기술지표는 모두 국제적으로 앞서고 있다.

현재 솔리드 스테이트 퀀텀 메모리 연구는 두 가지 도전에 직면해 있다.하나는  기존의 솔리드 스테이트 퀀텀 메모리 실험에 사용된 메모리 매체는 대부분 블록 형태의 결정체이며 이러한 재료는 광섬유 네트워크나 집성 광학 칩을 직접 도킹할 수 없어 대규모 확장성 적용을 실현하기 어렵다.다른 하나는 희토류 이온의 전자 스핀과 핵 스핀은 결정체 내 음자와 상호작용을 일으켜 퀀텀 메모리의 상관 수명이 크게 제한된다.연구팀은 퀀텀 메모리의 실용화를 추진하기 위하여 재료 가공 및 테스트 디바이스로부터 이러한 문제에 대한 체계적인 연구를 시작했다.

확장성 문제를 해결하기 위해 연구팀은 초속 레이저를 미세 가공 기술을 이용하여 처음으로 유로퓸의 이트륨 결정체에서 광파도를 각식시켜 집성 가능한 솔리드 스테이트 퀀텀 메모리를 연구해냈다.파도 구역은 결정체 표면으로부터 150μm 떨어져 있고 파도 폭은 20μm로 다른 마이크로나노 전자기학 및 마이크로 광학 부품과 집성 가공이 가능하다.파도 구역 내 광장의 출력 밀도가 높아 실험에 필요한 레이저 출력은 블록 형태의 결정체보다 약 30배 떨어졌다.실험에서 원자주파수빗(AFC)과 저소음회파회복(ROSE) 두 가지 광 퀀텀 메모리 방안을 보여주고 광 신호와 메모리를 참고해 광 신호 사이의 간섭을 읽어냄으로써 메모리 보전도를 측정했다.두 방안이 대응되는 보전도가 각각 99%와 97%를 넘는다는 것은 집성 가능한 퀀텀 메모리의 신뢰성이 높다는 것을 보여준다.

상관 수명이 제한되는 문제에 대한 효과적인 해결책은 심저온(<0.5K)의 펄스식 전자와 핵자기공진계(ENDOR) 구조로 음성을 줄이고 전자스핀을 극대화하는 것이다.전통적인 상용 ENDOR 시스템은 열 하중이 높아 작업 온도가 보통 4K 이하일 수 없었고 그동안 국제학계에서는 심저온 ENDOR는 실현 불가능한 임무[(Nature Nanotechnology 12, 958 (2017)]로 여겨졌다.연구팀은 시리즈의 기술적 난제를 해결한 뒤 세계 최초로 심저온 펄스식 전자와 핵자기공진계(핵스핀)를 성공적으로 만들고 최저 작업온도를 0.1K로 엄격하게 정하였다.0.1K 온도에서 이트륨 결정체의 스핀 회파 신호를 측정하는 수신비는 4K 온도에 비해 20배 높아졌고 전자 스핀의 스핀 수명과 상관 수명은 각각 15초와 2밀리초 동시에 핵 스핀의 천거 수명과 상관 수명은 각각 10분, 40mm로 이 네 가지 수명지표는 4K 온도에 비해 한 단계 이상 향상됐다.

Optica 원고 심사인의 평가: “the diversity of techniques and implemented protocols represents in overall an important amount of work which validates FLM waveguides as a promising platform of quantum information”(실험 기술과 방안의 다양성을 보여주고 희토류 혼합 결정체에 각식된 광파도가 퀀텀 정보 분야에서 매우 유망한 플랫폼임을 증명한 이 작업은 매우 중요하다.)

Physical Review Applied원고 심사인의 평가:“The measurements are enabled by the development of a millikelvin experimental apparatus capable of ENDOR spectroscopy, a setup that is relatively rare world wide… The apparatus is likewise interesting, and will likely enable detailed spectroscopy of some systems in regimes that have been hard to access before.(이러한측정은 저자가 만든 mK급 온도인 ENDOR 스펙트럼에 기반하여 실현하였고 이것은 국제적으로 희귀한 디바이스다.이것은 물리 시스템에서 보다 정확한 스펙트럼 분석을 구현하고 이전 사람이 도달하기 어려운 온도 구간에 들어갈 수 있다.)“An order of magnitude increase in both electron and nuclear spin coherence times is observed when going from 4 K to 100 mK. To my knowledge this is the first observation of a strong increase of spin coherence times in rare-earth doped crystals by going to sub-Kelvin temperatures.（4K부터 100mK까지 전자 스핀과 핵 스핀의 상관 수명이 한 단계 이상 향상되었다.희토류 이온에서 스핀상간의 수명이 현저하게 늘어난 것이 심저온으로 관찰되기는 이번이 처음이다.)”

두 논문의 제1 저자는 각각 중국 과학원의 퀀텀 정보 중점실험실 박사 연구생 유초(刘超)와 이배운(李佩耘)이다.이 작업은 과기부, 국가자연과학기금위원회, 중국과 학원, 안후이성(安徽省)의 지원을 받았다.