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= 결정 내 색중심 (color center)=

== 색중심의 종류==

결정에 존재하는 단일 불순물(impurity), 공동 (vacancy) 등과 같은 점 결함(point defect)은 고체 내 속박된 인공 원자로서, 스핀 및 광학 [[큐비트]]를 고체 시스템에서 생성하는 중요한 역할을 한다. 대표적인 점결함 예인 Nitrogen-Vacancy (NV) 색중심은 다이아몬드의 결정격자에서 탄소원자가 제거되어 생성된 공극에 질소원자가 결합하고 인접한 격자에서 하나의 탄소가 빠져 비어있는 상태인 점결함이다. NV 색중심은 중성(NV0)또는 음성(NV-)을 띌 수 있다. 음성을 띌 때 총 두 개의 홀전자(탄소와 공극에서 각각 하나씩)를 가지며 바닥상태(ground state)에서 스핀 삼중항 상태(triplet state)(S=1)인 스핀 [[큐비트]]가 된다. 이러한 결정 내 색중심은 다이아몬드 내에서도 Silicon vacancy (SiV), Germanium vacancy (GeV) 등 다양한 형태로 존재할 수 있고, 다이아몬드 외에도 SiC, GaN, h-BN 등과 같은 다양한 결정에서 연구되고 있다.
[[File:기술백서 전체수정_68.jpg|none|thumb|400px| (a) 중성 상태의 다이아몬드 질소-공공 결함(NV0 center) 와 (b) 음성 상태의 다이아몬드 질소-공동 센터(NV- center).<ref name=Haque>A. Haque and S. Sumaiya, An overview on the formation and processing of nitrogen-vacancy photonic centers in diamond by ion implantation, Journal of Manufacturing and Materials Processing 1, 1 (2017).doi:https://doi.org/10.3390/jmmp1010006</ref> 참고문헌[1]의 그림을 재구성함.
]]

== NV 색중심의 에너지 준위와 스핀 구조 ==

NV 색중심의 에너지 준위는 다이아몬드의 넓은 전도띠(conduction band)와 원자가띠(valence band) 간격 내 깊은 곳에 위치해있다. 아래 그림은 NV 색중심의 삼중항 상태(triplet state)를 갖는 전자 스핀 (S=1)의 에너지 준위를 나타내고 있다. 외부 자기장이 없는 환경에서 ms=±1 인 상태와 ms=0 인 상태는 2.87 GHz 의 무자기장 쪼개짐(zero-field splitting)을 갖는다. NV 색중심의 전자 스핀은 삼중항 상태(3A2, 3E)와 함께 단일항 상태(singlet state)(1A1, 1E)에도 존재할 수 있고, 삼중항 상태에서 단일항 상태로의 전이(transition) 또한 가능하다.
[[File:기술백서 전체수정_69.jpg|none|thumb|right|400px| 다이아몬드 질소-공공 결함(NV 색중심)의 에너지 준위 다이어그램.<ref name=Lee>M. Lee, J. Yoon, and D. Lee,Magnetometers-Fundamentals and Applications of Magnetism(intechOpen, 2019)doi:https://dx.doi.org/10.5772/intechopen.75335.</ref> 참고문헌[2]의 그림을 재구성함.
]]

== NV 색중심의 전자 스핀 [[큐비트]] 구동원리 ==

NV 색중심 전자 스핀은 에너지 준위를 기반, 레이저 광펌핑, 마이크로파, 발광을 이용하여 스핀 [[큐비트]]의 초기화, 제어, 측정이 가능하다. 실질적으로는 바닥 삼중항 상태의 전자 스핀을 이준위 큐비트 시스템으로 사용하게 되는데 ms=0 스핀 상태를 큐비트의 |0> 으로 ms=±1 스핀 상태 중 하나를 큐비트의 |1> 로 사용가능하다. 축퇴(degeneracy)되어 있는 ms=±1 스핀상태는 외부자기장을 인가하는 경우 축퇴상태가 쪼깨지게 되어 각 스핀 상태를 선택적으로 접근할 수 있다.

초기화(initialization)

바닥 삼중항 상태(3A2)의 전자는 가시광 파장 (532 nm)의 레이저를 가하는 경우 스핀이 보존되는 들뜬 삼중항 상태(3E)로 여기된다. 이때 3E의 ms=0 상태의 전자는 원래의 3A2의 ms=0 상태로 떨어지며 가시광 빛(637 nm)을 방출한다. 반면 3E의 ms=±1로 여기된 전자는 3A2의 ms=±1상태로 직접 떨어지거나 30% 정도의 확률로 단일항 상태(singlet state)인 1A를 거쳐 3A2의 ms=0로 떨어지게 된다. 따라서, 전자를 여기시키는 과정을 반복하면 결국 모든 전자들이 3A2의 ms=0에 있게되어, 전자 스핀 큐비트를 |0>으로 초기화 시킬 수 있다.

제어(manipulation)

ms=0로 초기화된 스핀은 2.87 GHz 정도 크기의 마이크로파를 이용하여 ms=±1 여기시킬 수 있다. 이때, 쪼개짐 간격과 정확히 일치하는(resonant) 마이크로파 (rotation pulse)를 인가하게 되면 스핀 상태가 마이크파의 인가 펄스 폭에 대한 [[공통 기술#라비 진동 (Rabi Oscillation)|라비 진동 (Rabi oscillation)]]을 하게 되고 이를 통해 이준위 전자 스핀에 대한 결맞음 제어가 가능하다.

측정(readout)

NV 색중심 전자 스핀 상태의 측정은 공초점 현미경 기반의 광측정자기공명 (optically detected magnetic resonance,(ODMR)) 실험을 통해 이뤄진다. 스핀 초기화 과정과 마찬가지로 가시광 레이저를 이용하여 전자를 여기시키게 되면, 3A2의 ms=0 스핀 상태의 경우, 삼중항 상태(triplet state) (3E의 ms=0) 사이에서만 직접 여기와 직접 천이 과정을 거치게 되지만, ms=±1 스핀 상태의 경우, 단일항 상태(singlet state)로의 부분천이가 발생하여, 직접 천이 파장에 해당하는 637 nm 근처의 광신호 세기를 비교 시, 스핀 상태에 따라 발광 세기에 차이가 발생된다. 이를 통해 전자 스핀이 어떠한 상태에 있는지 정보를 얻게 된다.
[[File:Qubit manipulation.png|none|thumb|400px|다이아몬드 NV 색중심의 전자 스핀에 대한 초기화, 제어, 측정 과정 개념도]]

== 다이아몬드의 스핀 큐비트를 이용한 [[양자 게이트]] 구현과 광자를 이용한 네트워크 형성 ==

다이아몬드의 1.1%는 스핀 1/2 시스템인 13C로 이루어지고 나머지는 모두 스핀이 없는 12C로 이루어진다. 따라서 NV 색중심 근처에 13C 원자가 존재하게 되면, 전자 스핀과 핵 스핀 간 서로 상호작용을 하게된다. 우선 전자 스핀 주위에 존재하는 핵 스핀은 전자스핀에 영향을 주기 때문에 결어긋남(decoherence)을 일으키는 주원인으로 작용한다. 이러한 전자 스핀에 형향을 주는 주위환경과의 DC/AC 노이즈를 제거하기 위하여 RF 펄스를 이용한 [[공통 기술#스핀 메아리 (spin echo)|스핀 메아리 (spin echo)]]와 [[양자 센서#동적 디커플링 (Dynamical Decoupling)|동적 디커플링 (dynamical decoupling)]] 방법 등을 사용할 수 있고, 다이아몬드 내 13C 원자 생성이 억제된 성장기술 등을 이용 전자 스핀의 결맞음 시간을 늘려주기도 한다.<ref name=Balasubramanian> G. Balasubramanian et al., Ultralong spin coherence time in isotopically engineered diamond, Nature materials 8, 383 (2009).https://doi.org/10.1038/nmat2420.</ref>

반면, 탄소의 핵 스핀도 하나의 [[큐비트]]로 사용할 수 있어, 핵스핀과 전자 스핀간의 상호작용을 잘 활용하게 되면 전자 스핀을 이용하여 인접 핵 스핀의 상태를 제어하는 것이 가능하여 [[양자 게이트(quantum gate)]] 구현이 가능해진다. 전자 스핀 하나와 핵 스핀 하나를 기반으로 한 controlled-NOT (CNOT)를 이용하게 되면 NV 색중심 주변의 탄소 핵 스핀을 컨트롤할 수 있고, 이를 이용하여, 전자 스핀 정보를 핵스핀에 긴 시간동안 저장하는 것 또한 가능하다.<ref name=Childress> L.Childress et al.,Coherent dynamics of coupled electron and nuclear spin qubits in diamond, Science 314, 281 (2006).doi:10.1126/science.1131871.</ref>

다수 스핀 큐비트 간 원거리 양자 얽힘을 구현하는 방법으로는 NV 색중심의 에너지 준위간 천이에 의해 방출되는 광자를 이용하는 방법이다. 색중심의 스핀 정보는 방출 광자의 편광 등에 저장이 되는데, 서로 떨어져 있는 스핀 큐비트에서 방출 된 광자 간 양자 간섭 등을 수행하게 되면, 원거리 스핀 큐비트 간 [[양자 얽힘(quantum entanglement)]] 구현이 가능하여 [[양자 네트워크]] 로써 확장이 가능하다.<ref name=Bernien>H. Bernien et al., Heralded entanglement between solid-state qubits separated by three metres, Nature 497, 86 (2013).https://doi.org/10.1038/nature12016.</ref>

== 개발 현황 ==
[[File:기술백서 전체수정_91.jpg|none|thumb|400px|다이아몬드 내부의 탄소 13으로 둘러싸인 NV 색중심의 모습<ref name=Abobeih> M. H. Abobeih et al., One-second coherence for a single electron spin coupled to a multi-qubit nuclear-spin environment, Nature Communications 9, 2552 (2018).https://doi.org/10.1038/s41467-018-04916-z.</ref> 참고문헌[6]의 그림을 재구성함.]]
결정 내 색중심을 이용한 큐비트로는 다이아몬드 내에 NV 색중심을 이용한 큐비트가 대표적이다. 2018년 NV중심으로 [[양자역학 개요#결맞음 (Coherence)|결맞음 시간]](T1)이 1시간에 달하는 큐비트가 만들어졌다.<ref name=Abobeih>M. H. Abobeih et al., One-second coherence for a single electron spin coupled to a multi-qubit nuclear-spin environment, Nature Communications 9, 2552 (2018).</ref>

NV 색중심의 전자 스핀 하나와 주위 핵스핀 9개가 서로 연결되어 얽힘상태 구현이 가능한 10 큐비트 레지스터가 구현되어 확장성에 대한 가능성을 보여주기도 하였다. <ref name=Bradley>C. E Bradley et al., A ten-qubit solid-state spin register with quantum memory up to one minute, Physical Review X 9, 031045 (2019).https://doi.org/10.1103/PhysRevX.9.031045.</ref>

[[ 분류:NV 중심 | ]]

요약:

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