마이크로파 공진기를 통한 Andreev 큐비트 간의 강력한 결합

바젤 대학의 물리학자들은 처음으로 거시적 거리에서 두 개의 안드레예프 큐비트를 일관되게 결합하는 데 성공했습니다. 그들은 좁은 초전도 공진기에서 생성된 마이크로파 광자의 도움으로 이를 달성했습니다. 실험 결과와 수반되는 계산은 최근 Nature Physics 에 게재되어 양자 통신 및 양자 컴퓨팅에서 결합된 안드레예프 큐비트를 사용할 수 있는 기반을 마련했습니다.

양자 통신과 양자 컴퓨팅은 정보의 가장 작은 단위인 양자 비트(큐비트)를 기반으로 작동합니다. 이는 고전적 컴퓨터의 비트와 관련이 있습니다. 현재 전 세계적으로 조사되고 있는 다양한 접근 방식 중 유망한 옵션 중 하나는 Andreev 쌍 큐비트를 사용하는 것입니다.

이러한 큐비트는 Andreev 반사라고 알려진 공정에서 금속과 초전도체 사이의 계면에서 형성됩니다. 여기서 금속의 전자가 초전도체로 들어가 전자 쌍(쿠퍼 쌍)의 일부가 되고, 양성 입자처럼 동작하는 홀은 금속으로 다시 반사됩니다. 이 공정을 기반으로 이러한 재료의 계면에서 이산적인 결합 상태 쌍이 형성됩니다. 이를 Andreev 결합 상태라고 하며 큐비트의 기본 상태로 사용할 수 있습니다. 이러한 상태는 외부 섭동에 비교적 강하고, 코히어런스 시간(중첩이 유지되는 시간)이 비교적 깁니다. 또한 쉽게 제어하여 현대 전자 회로에 통합할 수 있습니다. 이러한 모든 요소는 안정적이고 확장 가능한 양자 컴퓨터를 개발하는 데 유리합니다.

두 양자계 간의 교환

연구자들은 이제 반도체 나노와이어에 각각 국한된 두 개의 Andreev 큐비트 사이에 강력한 양자 역학적 결합을 달성했습니다. 결과는 이론적 모델과 매우 일치합니다.

"우리는 긴 초전도 마이크로파 공진기의 두 끝에서 서로 멀리 떨어진 두 개의 Andreev 쌍 큐비트를 결합했습니다. 이를 통해 공진기와 큐비트 간에 마이크로파 광자를 교환할 수 있습니다." 실험을 수행한 바젤 대학교의 물리학과 및 스위스 나노과학 연구소의 Christian Schönenberger 교수가 설명했습니다.

마이크로파 공진기는 두 가지 다른 방식으로 사용할 수 있습니다. 한 모드에서는 공진기를 통해 큐비트를 읽어서 연구자에게 양자 상태에 대한 정보를 제공할 수 있습니다. 두 번째 모드는 두 큐비트를 서로 결합하여 마이크로파 광자를 잃지 않고 "통신"할 수 있도록 하는 데 사용됩니다. 그러면 두 큐비트는 더 이상 서로 독립적이지 않고 새로운 양자 상태를 공유합니다. 이는 양자 통신 및 양자 컴퓨터 개발에 필수적입니다.

"저희 연구에서는 세 개의 양자 시스템을 결합하여 서로 광자를 교환할 수 있도록 했습니다. 저희 큐비트 자체의 크기는 약 100나노미터에 불과하며, 6밀리미터의 거시적 거리에서 결합합니다." 이 논문의 공동 저자 중 한 명인 안드레아스 바움가트너 박사가 말했습니다. "그렇게 함으로써, 안드레예프 쌍 큐비트가 소형이고 확장 가능한 솔리드 스테이트 큐비트로 적합하다는 것을 보여줄 수 있었습니다."

이 작업은 유럽 FET Open 프로젝트 AndQC의 일환으로 바젤, 코펜하겐, 카를스루에, 예일 대학의 팀에 의해 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241003123250.htm