탄화규소 결함의 숨겨진 에너지 손실이 큐비트에 중요한 이유

시카고대 프리츠커 분자공학대학원(UChicago PME) 연구진에 따르면, 결정 속의 미세한 결함은 기존 모델이 과소평가한 경로로 에너지를 잃을 수 있다. Physical Review Letters에 보고된 이들의 새로운 계산 방법은 스핀 결함의 전체 광학 사이클을 시뮬레이션하며, 탄화규소에서 내부 전환이라는 과정이 예상보다 훨씬 중요하다는 점을 보여 주었다.

양자 기술의 구성 요소로서의 결함

다이아몬드나 탄화규소 같은 물질 내부의 결함에 빛이 닿으면 전자에 에너지를 전달해 들뜬 상태로 올릴 수 있다. 스핀 결함으로 알려진 이러한 결함은 미래 양자 기술의 구성 요소가 될 수 있다. 이들은 상태를 읽을 수 있는 안정적인 큐비트로 기능할 수 있어 양자 센서에 매력적이다. 그러나 시간에 따라 에너지가 어떻게 변하는지 예측하는 것은 여전히 큰 과제로 남아 있다.

레이저가 스핀 결함을 들뜨게 하면, 결함은 여러 방식으로 낮은 에너지 상태로 돌아갈 수 있다. 광자를 방출하거나, 스핀이 다른 상태 사이를 전이하거나, 주변 원자의 진동에 에너지를 넘겨줄 수 있다. 마지막 경로가 내부 전환이다. 양자역학 방정식은 앞의 두 가지를 잘 설명하지만, 원자 진동을 통한 에너지 손실을 계산하는 것은 계산상 어렵다.

"방정식은 알려져 있지만 계산상의 어려움 때문에 이 과정을 정확히 기술하기 어렵습니다"라고 박사후 연구원이자 이번 연구의 제1저자인 스테파노 빌라니(Stefano Villani)는 말했다. "전자와 주변 원자 사이의 복잡한 상호작용을 고려해야 하는데, 수백, 수천 개의 원자로 이루어진 모델로 표현되는 현실적인 고체에서는 이것이 쉽지 않습니다."

계산하는 방법

교신저자인 줄리아 갈리(Giulia Galli)와 빌라니, 진위(Yu Jin)는 연구실이 오랜 기간 개발해 온 여러 계산 기법을 결합했다. 이들은 결함의 들뜬 상태를 다체 파동함수라는 수학적 기술로 나타내고, 각 들뜬 상태가 근처 원자의 운동과 얼마나 강하게 결합하는지를 정확히 도출했다. 그 덕분에 한 번에 하나의 배치가 아니라, 전자 상태가 수백 개 주변 원자의 가능한 모든 진동과 어떻게 연결되는지를 한꺼번에 계산할 수 있었다. 갈리 연구실의 전 대학원생인 진은 현재 뉴욕의 플랫아이언 연구소에 있다.

이 틀은 갈리 연구실이 지난 10년간 개발해 온, 그래픽 처리 장치에 최적화된 오픈소스 시뮬레이션 프로그램 WEST에 내장되어 있다.

탄화규소에서의 뜻밖의 결과

연구진은 먼저 널리 연구된 결함인 다이아몬드의 질소-빈자리 중심에 이 방법을 시험했다. 계산은 최근의 분광 측정과 매우 잘 일치했다. 삼중항 상태에서는 내부 전환이 에너지 손실에 거의 기여하지 않았고, 단일항 상태에서는 주된 메커니즘이었으며, 두 경우 모두 과학자들의 예상과 같았다.

탄화규소의 이중 빈자리 결함에서는 양상이 달라졌다. 이곳에서는 내부 전환이 들뜬 삼중항 상태의 수명에 미치는 영향이 기존 모델이 반영한 것보다 훨씬 커서, 이론과 실험 사이의 오랜 불일치를 설명하는 데 도움이 되었다. "효과가 있을 것으로 예상했지만 더 작은 규모일 줄 알았습니다"라고 갈리는 말했다. "알고 보니 이 내부 전환 과정은 우리가 생각했던 것보다 더 중요했습니다."

다음 단계

다른 기관의 연구자들도 이제 WEST를 통해 이 틀을 적용할 수 있지만, 시뮬레이션에는 여전히 상당한 컴퓨팅 능력이 필요하다. 연구진은 기계 학습을 포함해 이를 줄일 방법을 모색하고 있으며, 이 접근법을 실리콘의 스핀 결함과 내부 전환이 에너지의 전달이나 손실을 좌우하는 에너지 기술용 소재로 확장하고 있다. "우리는 스핀 결함의 광학 사이클을 완전히 설명하는 데 필요했던 빠진 퍼즐 조각을 제공했습니다"라고 갈리는 말했다.

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