양자 컴퓨팅을 위한 레이저

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-20

프린스턴 대학 연구진은 양자점이라고 알려진 인위적인 원자를 통한 단일 전자 투과에 의해 구동된 쌀알 크기의 레이저를 제작하였다. 이 미세한 마이크로웨이브 레이저 또는 메이저는 빛과 움직이는 전자들 사이의 기본적인 상호 작용을 시연한 것이다. 이들 연구진은 미세한 전류를 사용하는 디바이스를 제작하였다. 그리고 양자 컴퓨터의 부품으로 사용되는 단일 원자와 같이 행동하는 반도체 물질의 비트인 양자점을 어떻게 이용할 수 있는지를 연구하였다. 프린스턴 대학의 물리학과 부교수인 Jason Petta는 그것은 기본적으로 단일 전자 디바이스와 부합되는 것이라고 말하였다. 이 디바이스는 반도체 물질로부터 양자 컴퓨팅 시스템을 개발할 수 있는 중요한 기여를 한 것이라고 매릴랜드 대학과 미국 표준 기술 연구소의 합동 양자 연구소의 연구원인 Jacob Taylor는 말하였다. 그는 그들의 연구가 반도체 기반 디바이스에서 반도체의 양자 비트 사이에서 얽힘에 대한 이해를 크게 높인 것이라고 말하였다. 이 프로젝트의 원래 목표는 메이저(maser)를 개발하는 것이 아니고 양자 비트로서 결합된 두 양자점인 이중 양자점을 어떻게 사용할 수 있는지를 연구하는 것이었다. 양자 비트 또는 큐비트는 양자 컴퓨터에서 정보의 기본적인 단위이다. 목표는 서로 통신하기 위한 이중 양자점을 얻는 것이었다고 연구진은 말하였다. 양자점은 포톤 또는 빛입자들의 얽힘을 통해서 통신할 수 있기 때문에 연구자들은 단일 전자들이 더 높은 에너지 준위에서 더 낮은 에너지 준위로 양자점을 가로질러 지나가기 위해서 점프할 때 포톤을 방출하는 양자점을 디자인하였다. 각 이중 양자점은 한 번에 한 개의 전자만을 전달할 수 있다고 연구진은 설명하였다. 그것은 시냇물에 놓인 작은 바위를 밟고 건너는 일렬로 줄을 서있는 사람들에 비유할 수 있다. 즉 바위가 매우 작기 때문에 단지 한 번에 한 사람씩만 밟고 건너갈 수 있는 것이다. 이런 이중 양자점은 전자에 관한 한 0차원이다. 그것들은 모든 3차원 상에 포획되어 있다. 연구자들은 약 50나노미터 길이의 극도로 얇은 나노와이어로부터 이중 양자점을 제작하였다. 이 양자점은 인듐 비소라고 불리는 반도체 물질로 만들어졌다. 이들 연구진은 게이트 전극으로 작동하는 심지어 더 작은 금속 와이어 상에서 인듐 비소 와이어를 패턴화시킬 수 있었다. 이런 전극은 양자점에서 에너지 준위를 조절한다. 메이저를 제작하기 위해서, 이들 연구진은 초전도 물질로 만들어진 공동 안에서 6밀리미터 떨어진 이중 양자점을 놓았다. 이것은 처음으로 프린스턴 대학에서 거의 1센티미터 떨어진 두 이중 양자점 사이의 연결을 시연한 것이라고 연구진은 말하였다. 디바이스가 켜지면, 전자들은 각 이중 양자점을 통하여 이동하며 마이크로파 스펙트럼 영역의 포톤을 방출시킨다. 이런 포톤들은 공동의 각 끝에 있는 거울에서 반사하여 응집된 마이크로파 빛을 축적시킨다. 이 새로운 메이저의 장점은 양자점 내부의 에너지 준위가 다른 주파수에서 빛을 발생시킬 수 있도록 조율될 수 있다는 것이다. 주파수가 고정된 다른 반도체 레이저에서는 이것이 불가능하다고 연구진은 말하였다. 두 에너지 준위에서 에너지 차이가 더 크면 방출된 빛의 주파수는 더 크다. 이 연구에 참여하지 않은 프린스턴 대학의 전기 공학과 교수인 Claire Gmachl는 레이저, 메이저 그리고 다른 형태의 응집광 소스는 통신, 센싱, 의료용 그리고 다른 많은 현대 생활 용품에 사용되고 있다고 말하였다. 이 논문에서 연구자들은 빛과 움직이는 전자들 사이의 기본적인 상호작용을 깊게 연구하였다고 그는 덧붙였다. 이중 양자점은 단일 전자의 움직임을 완전히 제어할 수 있게 해주며 응집 마이크로파가 어떻게 생성되고 증폭되는지를 이들 연구진은 시연하였다고 그는 말하였다. 이런 기본적인 광-물질 상호작용 프로세스를 제어하는 것을 이해하는 것은 차세대 광소스 개발에 중요하다고 그는 덧붙였다. 이들의 연구 결과는 "Semiconductor double quantum dot micromaser"라는 제목으로 사이언스 저널에 발표되었다. 첨부그림 1: 프린스터 대학의 연구진은 쌀알 크기의 마이크로파 레이저를 개발하였다. 첨부그림 2: 쌀알 크기의 레이저는 하나의 전자를 한번에 구동하며 주사 전자 현미경에 의해서 영상을 얻은 양자 컴퓨팅 이중 양자점을 위해 사용될 수 있을 것이다. 전류는 인듐 비소 나노와이어에서 형성된 두 개의 양자점(적색원)을 통하여 한 번에 한 개의 전자를 흐르게 한다. ricesizedlas.jpg 1-ricesizedlas.jpg http://phys.org/print340555887.html