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Sep 01, 2023

양자 컴퓨팅을 목표로 하는 새로운 형태의 실리콘

가장 유망한 양자 컴퓨터 중 일부는 지금까지 거의 절대 영도까지 냉각된 초전도 물질과 부유 이온 및 원자를 포함하는 이국적인 물질과 시스템을 포함했습니다.

가장 유망한 양자 컴퓨터 중 일부는 현재까지 거의 절대 영도까지 냉각된 초전도 물질과 전기장 및 레이저 트랩에 고정된 부유 이온 및 원자를 포함하여 이국적인 물질과 시스템을 포함했습니다. 그러나 기존 트랜지스터 및 논리 게이트만큼 쉽게 큐비트 및 양자 회로를 구축할 수 있는 신뢰할 수 있는 방법만 있다면 친숙한 오래된 실리콘은 확실히 더 확장 가능하고 편리할 것입니다.

개발자들은 Q-실리콘이라는 새로운 형태의 실리콘이 바로 티켓이 될 수 있다고 말합니다. Materials Research Letters 저널에 이 물질을 보고한 노스캐롤라이나 주립대학교 연구원들은 이 물질이 양자 컴퓨팅뿐만 아니라 리튬 이온 배터리에도 적합한 특성을 가지고 있다고 말합니다.

“대자연을 속이려면 열역학적 제약을 극복해야 하므로 이를 아주 아주 빠르게 수행해야 합니다.” —노스캐롤라이나 주립대학교 제이 나라얀

실리콘은 일반적으로 세 가지 형태로 제공됩니다. 즉, 원자가 잘 정돈된 구조를 갖는 결정질; 원자가 무작위로 위치하는 무정형; 더 작은 결정 단위가 무작위로 연결된 다결정. 결정형에서 실리콘 원자는 다이아몬드의 탄소 원자처럼 4개의 원자가 피라미드의 모서리를 형성하며 채워져 있습니다.

Q-실리콘은 다이아몬드 같은 피라미드가 무작위로 배열되어 있어 원자가 더 조밀하게 채워지고 여유 공간이 줄어듭니다. NCSU의 재료과학 및 공학 교수인 Jay Narayan과 그의 동료들은 나노초 길이의 고출력 레이저 펄스로 비정질 실리콘을 분사한 다음 5분의 1마이크로초 안에 냉각시켜 Q-실리콘을 만들었습니다.

이는 기존의 열역학이 원자를 실리콘의 세 가지 자연 발생 형태 중 하나로 다시 재배열하지 않을 만큼 충분히 빠릅니다. Narayan은 “대자연을 속이기 위해서는 열역학적 제약을 극복해야 하기 때문에 이를 매우 빠르게 수행해야 합니다.”라고 말했습니다.

연구원들은 Q-실리콘이 일반 실리콘에서는 볼 수 없는 특성을 드러낸다고 밝혔습니다. 우선, 실온에서 강자성을 띤다. 강자성(ferromagnetism), 물질이 외부 자기장에 놓였을 때 자화되었다가 나중에 그 자화 상태를 유지하는 특성. 강자성은 일반적으로 철이나 니켈과 같은 금속에서 발견되며 고체 원자의 벌크 특성으로 인해 발생합니다. 자기 쌍극자는 외부 자기장에 의해 정렬될 수 있으며 해당 자기장이 사라지면 그 자리를 유지할 수 있습니다. 그러나 해당 물질의 개별 전자를 분리할 수 있다면 해당 전자의 스핀(그 자체가 위 또는 아래 또는 둘의 중간 양자 조합일 수 있음)을 양자 정보를 인코딩하는 수단으로 큐비트로 사용할 수도 있습니다.

탄소와 실리콘의 전자 수가 짝수라는 것은 일반적으로 전하가 모두 반대 스핀과 쌍으로 존재하여 서로의 자기장을 상쇄한다는 것을 의미합니다. 따라서 실리콘에서 개별 전자 스핀을 유지하고 조작하는 것은 일반적으로 엔지니어와 재료 과학자에게는 선택 사항이 아닙니다. 강자성에는 단일 전자 또는 짝을 이루지 않은 스핀이 필요하다고 Narayan은 말합니다. 그러나 “빠른 용융과 냉각을 통해 우리는 강자성인 짝을 이루지 않은 스핀을 생성할 수 있습니다”라고 그는 말합니다. "실리콘이 짝을 이루지 않은 스핀을 가질 수 있다면 그 스핀에 정보를 저장할 수 있다는 아이디어입니다."

스핀을 활용하는 것은 어려운 일이며, 사람들은 양자 컴퓨터에 대한 경로로 실리콘에 이식된 인 원자의 스핀 상태를 읽으려고 노력해 왔습니다. Narayan은 Q-실리콘이 실리콘 원자의 스핀을 활용하는 것을 더 간단하게 만들 수 있다고 말했습니다. "Q-실리콘은 실온에서 강자성을 띠기 때문에 이제 양자 컴퓨터와 기타 모든 종류의 흥미로운 응용 프로그램을 만들 수 있습니다."라고 그는 말합니다.

게다가 붕소 원자를 도핑하면 연구진은 Q-실리콘이 초전도체가 된다고 보고했습니다. 알려진 초전도체는 일반적으로 매우 낮은 온도에서만 초전도 능력을 나타내기 때문에 상온 초전도체에 대한 보고에 회의적인 시각이 있습니다.

현재까지 알려진 주변 압력에서 가장 높은 온도의 초전도체는 130켈빈 미만에서 초전도체가 됩니다. Narayan과 그의 동료들은 붕소가 첨가된 Q-실리콘이 174K에서 초전도체로 전환된다고 말했습니다.