연구원들은 큐비트가 얽힐 수 있는 온도를 크게 높이는 동시에 마이크로파로 제어할 수 있는 새로운 다이아몬드 스트레칭 기술 덕분에 양자 통신에 획기적인 발전을 이루었다고 주장합니다. 양자 네트워킹은 이국적인 양자 현상을 활용하여 정보를 주고받는 신흥 분야입니다. 이러한 네트워크는 해킹이 불가능하며 양자 얽힘을 사용하여 장거리를 커버하고 물리적 연결 없이 서로의 양자 상태를 매핑하는 큐비트 쌍을 생성합니다.
다이아몬드 기반 큐비트는 상당한 시간 동안 얽힌 상태를 유지할 수 있지만 절대 영도보다 머리카락 한 올만큼 차갑게 유지되는 경우에만 가능합니다. 이는 양자 네트워크의 모든 노드에 거대하고 에너지 집약적인 냉각 장치를 설치한다는 의미이므로 유용성이 제한됩니다.
그러나 시카고 대학, 아르곤 국립 연구소, 케임브리지 대학의 연구자들은 다이아몬드를 늘려 분자 격자를 변화시킴으로써 획기적인 해결책을 찾았다고 말합니다.
연구팀은 뜨거운 유리 위에 다이아몬드로 된 얇은 막을 놓았다. 유리는 냉각되면서 수축되지만 다이아몬드보다는 덜 수축하여 분자 수준에서 늘어나는 힘을 발휘합니다. 연구팀에 따르면 다이아몬드 구조의 변화는 '미미'하지만 효과는 상당했다.
이렇게 늘어난 다이아몬드 큐비트가 얽힌 상태로 유지되는 온도는 절대 영도 이상에서 4켈빈(-452°F, -269°C)까지 상승합니다. 분명히 이것은 여전히 매우 낮은 온도이지만 1켈빈 아래로 내려가는 것보다 4켈빈에 도달하는 것이 훨씬 쉽습니다. 관련된 장비는 훨씬 저렴하고 컴팩트합니다.
Pritzker School of Molecular Engineering의 조교수인 Alex High는 "인프라와 운영 비용 측면에서 보면 엄청난 차이가 있습니다."라고 말했습니다. "이 기술은 이러한 시스템의 작동 온도를 크게 높여 이러한 시스템을 실행하는 데 필요한 리소스 집약도를 크게 줄일 수 있습니다."
"오늘날 대부분의 큐비트에는 방 크기의 특수 냉장고와 이를 실행하기 위한 고도로 훈련된 팀이 필요합니다"라고 Hai는 말했습니다. "따라서 5~10km(3~6마일)마다 큐비트를 구축해야 하는 산업용 양자 네트워크를 구상한다면 이제 상당히 많은 인프라와 노동력에 대해 이야기하게 됩니다."
또한 늘어난 다이아몬드 구조는 소음을 줄이고 시스템을 통과하는 정보의 충실도를 99% 향상시킵니다. 이전 버전에서는 스펙트럼의 빛이 필요했기 때문에 이러한 큐비트를 마이크로파로 제어할 수 있기 때문에 상당한 오류가 발생했습니다.
"일반적으로 시스템의 일관성 수명이 길다면 이는 외부 간섭을 '무시'하는 데 능숙하기 때문입니다. 이는 간섭에 저항하기 때문에 제어하기가 더 어렵다는 것을 의미합니다"라고 논문의 제1저자이자 박사 과정 학생인 Xinghan Guo가 말했습니다. "재료 과학의 매우 근본적인 혁신을 통해 이러한 수수께끼를 해소할 수 있다는 것은 매우 흥미로운 일입니다."
이번 연구의 공동 저자이자 케임브리지 대학교 물리학 교수인 Mete Atature는 "확장된 일관성 시간과 실현 가능한 마이크로파 양자 제어의 조합을 통해 다이아몬드 기반 양자 네트워크 장치를 위한 주석 공극 센터를 개발하는 길은 분명합니다"라고 덧붙였습니다.
이 논문은 Physical Review X 저널에 게재되었습니다.