반도체 기반 편집하기 (부분)

경고: 로그인하지 않았습니다. 편집을 하면 IP 주소가 공개되게 됩니다. 로그인하거나 계정을 생성하면 편집자가 사용자 이름으로 기록되고, 다른 장점도 있습니다.

= 게이트 양자점 (gate quantum dot) =

== 반도체 양자점 생성 원리==

반도체 양자점은 인공 원자(artificial atom) 라고도 하며 반도체 내에서 양자점을 형성하는 게이트를 제작하여 개별 전자를 포획한뒤 게이트 전위 차 등을 이용하여 전기적으로 포획 전자의 양자 상태를 결맞음 제어할 수 있다. 양자점에 전자가 갇히면 포획 전자들의 교환(exchange) 상호작용, 전하 (charge), 스핀 (spin) 등을 [[큐비트]]로 이용할 수 있다.<ref name=mani2>X. Zhang et al., Semiconductor quantum computation. National Science Review, 6, 32-54 (2019).https://doi.org/10.1093/nsr/nwy153.</ref> 가장 많이 사용되는 소재는 GaAs/AlGaAs, Si/SiGe 와 같은 이종구조(heterostructure)이다. 특히, GaAs/AlGaAs 이종구조는 전자이동도가 높은 특성을 가지고 있어 제일 먼저 양자점 기반의 큐비트를 만드는데 사용되었다.<ref name=Zhang>X. Zhang et al., Qubits based on semiconductor quantum dots, Chinese Physics B, 27 020305 (2018). doi:10.1088/1674-1056/27/2/020305/meta.</ref> 반도체 이종 구조의 접합 계면에서는 이차원 전자 가스(two-dimensional electron gas (2DEG))가 생성된다. 형성된 이차원 전자 가스층은 전자를 수직방향으로 구속하는 효과와 함께 전자를 공급하는 저장고(reservoir) 역할을 한다. 추가적으로 반도체 웨이퍼에 게이트(gate) 역할을 하는 금속 패턴을 형성 후, 음의 전위를 갖는 양자우물에 전자를 수평 방향으로 포획한다. 이로써, 3차원으로 포획된 반도체 양자점이 생성이 가능하다. 각 게이트의 전위를 조절하여 양자점 내 전자를 이동하거나 양자 상태를 제어한다.

[[File:기술백서 전체수정_70.jpg|none|thumb|400px|반도체 이종 구조의 계면에 형성된 이차원 전자층과 전극 패턴으로 형성된 이중 양자 우물 구조 모식도.<ref>https://https://www.quantuminfo.physik.rwth-aachen.de/cms/Quantuminfo/Forschung/Institut-fuer-Quantentechnologie/~dvux/Bluhm-GaAs/?lidx=1</ref> 참고문헌[10]의 그림을 재구성함.]]

== 큐비트의 종류 ==

스핀 [[큐비트]] (spin Qubit)

스핀 큐비트(Spin qubit)는 전자의 스핀을 [[큐비트]]로 이용한 것이다. 스핀 큐비트에 자기장을 가하면 스핀업과 다운이 축퇴(degenerate)되어 있지 않고 나누어진다. 따라서 스핀 윗방향(spin-up)과 아랫방향(spin-down)을 이준위 시스템 큐비트로 사용한다. 스핀 큐비트를 조작할 때는 이준위 에너지 차이와 공명하는 마이크로파(microwave)를 사용하는데 이 방식을 전자 스핀 공명(electron spin resonance(ESR))이라고 한다.

전하 [[큐비트]] (charge Qubit)

전하 [[큐비트]]는 전자의 스핀이 아니라 전자가 양자점에 존재하는 여부를 바닥상태(ground state)와 들뜬상태(excited state)로 사용한다. 두개의 양자점(double quantum dot(DQD))을 형성하여 사용되며 전자가 어느 양자점에 존재하는지를 확인하는 방식으로 구동한다.

하이브리드 [[큐비트]] (hybrid Qubit)

스핀 큐비트의 장점인 긴 결맞음 시간(coherence time)과 전하 [[큐비트]]의 장점인 짧은 제어 시간(manipulation time)을 이용하기 위해 두 스핀의 장점을 결합하여 만든 새로운 형태의 [[큐비트]]다. Si/SiGe 이종 구조(heterostructure) 내 형성된 두개의 양자점에서 세 개의 전자 스핀과 두개의 고유 상태(eigenstate)를 이용하여 구현되었다.<ref name=Kim> D. Kim et al., Quantum control and process tomography of a semiconductor quantum dot hybrid qubit, Nature 511, 70(2014).https://doi.org/10.1038/nature13407.</ref>

==반도체 양자점 구동 원리==

초기화(initialization)

이준위 스핀(spin) 상태의 초기화(initialization)는 단순한 방법으로는 양자점에 있는 스핀의 에너지가 바닥 상태(ground state)로 내려갈 때까지 오랜 시간 기다리는 방법으로 할 수 있다. 이 방법은 어떤 자기장에서든 할 수 있는 매우 간단한 초기화 방법이다. 이보다 빠른 초기화 방법으로는 |↑>를 아래에, |↓>를 위로 두고 사이에 페르미 에너지(Fermi energy)를 배치하는 것이다. 이때 |↑> 상태의 전자는 양자점에 머물러 있는 반면에 |↓> 상태의 전자는 저장고(reservoir)로 터널링되어 |↑> 방향으로 대체된다. 스핀 윗방향과 아랫방향의 터널링 시간(tunnel time)을 더한 것만큼의 시간을 기다리면 스핀은 높은 확률로 |↑>상태가 되어 초기화 시킬 수 있다.<ref name=initialization> R. Hanson et al., Electron spin qubits in quantum dots, in Proceedings of IEEE International Electron Devices Meeting 2004-IEDM Technical Digest,San Francisco, CA, USA(IEEE,San Francisco,2004), 533. doi:10.1109/IEDM.2004.1419211</ref> 전하 큐비트의 경우, 왼쪽(L), 오른쪽(R) 게이트를 의 게이트 전위를 조절하여, 왼쪽 |L> 또는 오른쪽 |R> 양자점에만 전하가 존재하도록 초기화 하는 것이 가능하다. <ref name=Cao> G. Cao et al., Ultrafast universal quantum control of a quantum-dot charge qubit using Landau–Zener–Stu¨ckelberg interference, Nature Communications 4, 1401 (2013).https://doi.org/10.1038/ncomms2412.</ref>

제어(manipulation)

[[File:기술백서 전체수정_101edit.jpg|right|thumb|500px| (왼쪽) 금속전극들 사이에 형성된 전위장벽에 전자가 포획되고 반도체 내의 양자점이 생성된다. (오른쪽) 서로 연결되어 있는 양자상태의 에너지가 공명할 시 반교차 (anticrossing)에 따른 에너지 쪼개짐이 나타난다. <ref name=Cao> G. Cao et al., Ultrafast universal quantum control of a quantum-dot charge qubit using Landau–Zener–Stu¨ckelberg interference, Nature Communications 4, 1401 (2013).</ref> 참고문헌[13]의 그림을 재구성함.]]
반도체 양자점은 왼쪽(L), 오른쪽(R) 게이트를 통해 이중 양자점을 형성하고 두 게이트 간 전위차이 ε∝VR - VL로 각 양자점의 전자의 상태를 제어할 수 있다. 또, 가운데 전위 장벽(T)의 전위 조절을 통해 양자점 간 터널링 정도를 제어하게 된다. 각 양자점 내 포획 전자의 전하량, 스핀 상태 등을 이용하여, 이준위 양자 상태를 형성하게 되는데, 게이트 간 전위차이 ε를 통해 각 양자 상태를 초기화하고 중첩 상태를 생성할 수 있다. 특히, ε=0 인 경우에는 터널링에 의해 연결되어 있는 두 양자 상태의 에너지가 같아져서 에너지 상태 간 반교차(anticrossing)를 나타낸다. 이때 반교차 에너지 간격은 [[공통 기술#라비 진동 (Rabi Oscillation)|라비 진동 (Rabi Oscillation)]] 주파수와 비례한다. 양자 상태에 대한 결맞음 제어는 주로 이준위 상태와 공명하는 마이크로파 펄스를 통해 이뤄진다. 
제어 정확도는 결맞음 시간(coherence time)과 제어 시간(manipulation time)에 의해 결정된다. 결맞음 시간은 위상 어긋남 시간(dephasing time)이라고도 하며, 일반적으로 T2로 표기하고, 큐비트가 양자 성질을 얼마나 유지할 수 있는지를 나타낸다. 제어 시간은 회전각에 따라 π(Tπ)나 2π(T2π)로 표기하고, 단일 제어(single manipulation)에 대해 요구되는 시간을 나타낸다.<ref name=mani2>Zhang, X., Li, H. O., Cao, G., Xiao, M., Guo, G. C., & Guo, G. P. (2019). Semiconductor quantum computation. National Science Review, 6, 32-54.https://doi.org/10.1093/nsr/nwy153.</ref>

측정(readout)

큐비트를 제어하는 중에는 스핀 윗방향과 아랫방향의 에너지 레벨은 드레인(drain)의 페르미 레벨 (Fermi level) 보다 밑에 위치한다. 측정(readout)을 하기 위해서는 스핀 윗방향과 아랫방향 상태 사이의 소스(source)와 드레인(drain)의 페르미 레벨을 조정한다. 그러면 스핀 윗방향의 전자는 양자점에 머물러있는 반면 스핀 아랫방향의 전자는 양자점을 통과하게 되는데 이를 이용하여 측정한다. 이 방법은 2004년에 Kouwenhoven과 Vandersypen의 연구팀이 고안해냈다.<ref name=Li> H. Li, B. Yao, T. Tu, and G. Guo, Quantum computation on gate-defined semiconductor quantum dots, Chinese Science Bulletin 57, 1919 (2012).https://doi.org/10.1007/s11434-012-5091-5.</ref>
[[File:기술백서 전체수정_103edit.jpg|none|thumb|400px| 스핀에 따른 터널링(spin-selective tunneling)을 기반으로 하는 양자점 큐비트의 제어 및 측정 그림.<ref name=mani2> X. Zhang et al., Semiconductor quantum computation, National Science Review6, 32 (2019). doi:https://doi.org/10.1093/nsr/nwy153</ref> 참고문헌[8]의 그림을 재구성함.]]

실험적으로 반도체 양자점의 전자 상태는 양자점 근처의 전하 센서, 양자 점 측정기(quantum point detector), 소스와 드레인 간 전류 등을 통해 확인하게 되며, 아래 그림은 이러한 소자 내 검출 신호를 통해 확인 할 수 있는 게이트 간 전위 차에 따른 양자 상태에 대한 도표 예시이다.
[[File:기술백서 전체수정_99edit.jpg|none|thumb|400px| GaAs/AlGaAs 이중 양자점(double quantum dot)의 게이트 전위에 따른 왼쪽, 오른쪽 양자점 전하 큐비트 측정 신호 도표. <ref name=Cao>G. Cao et al., Ultrafast universal quantum control of a quantum-dot charge qubit using Landau–Zener–Stu¨ckelberg interference, Nature Communications 4, 1401.https://doi.org/10.1038/ncomms2412. (2013).</ref> 참고문헌[13]의 그림을 재구성함.]]

== 개발 현황 ==

[[File:기술백서 전체수정_96edit.jpg|none|thumb|300px|큐비트의 읽기/쓰기 나노 구조<ref name=Jarryd J. Pla>Jarryd J. Pla et al.,High-fidelity readout and control of a nuclear spin qubit in silicon 496, 334 (2013).https://doi.org/10.1038/nature12011.</ref> 참고문헌[15]의 그림을 재구성함.]]
[[반도체 기반#양자점 (Quantum Dot; 퀀텀닷)|양자점]] [[큐비트]]는 반도체 내부에 게이트 전압을 이용하거나 도핑을 통해 가상의 원자를 만드는 큐비트이다. 대표적으로는 2018년 보고된 GaAs/AlGaAs 이종 접합에 게이트 전압을 통해 전자의 이동을 제한하는 방식으로 만들어진 단일 전자 큐비트가 있다.<ref name=Camenzind>L. C. Camenzind et al., Hyperfine-phonon spin relaxation in a single-electron GaAs quantum dot, Nature communications 9, 1 (2018).https://doi.org/10.1038/s41467-018-05879-x.</ref> 이 큐비트는 [[반도체 기반#양자점 (Quantum Dot; 퀀텀닷)|양자점]] 내부 전자의 스핀을 이용하였으며 약 57초의 [[결맞음]] 시간을 보였다. 또한 도핑을 이용한 큐비트로는 실리콘 내에 인(P)원자를 도핑해 인의 핵 스핀을 이용하는 큐비트가 있다. 핵 스핀을 이용하는 경우 저온에서 2시간 이상 붕괴(decay)가 거의 보이지 않았으며 상온에서도 [[결맞음]] 시간이 2시간이 넘어갔다고 보고되었다. <ref name=Saeedi>K. Saeedi et al., Room-temperature quantum bit storage exceeding 39 minutes using ionized donors in silicon-28. Science 342, 830 (2013). doi:10.1126/science.1239584 </ref>

[[분류:양자점 | 양자점]]

요약:

한국양자정보학회 위키에서의 모든 기여는 다른 기여자가 편집, 수정, 삭제할 수 있다는 점을 유의해 주세요. 만약 여기에 동의하지 않는다면, 문서를 저장하지 말아 주세요.
또한, 직접 작성했거나 퍼블릭 도메인과 같은 자유 문서에서 가져왔다는 것을 보증해야 합니다(자세한 사항은 한국양자정보학회 위키:저작권 문서를 보세요). 저작권이 있는 내용을 허가 없이 저장하지 마세요!

취소 편집 도움말 (새 창에서 열림)

원본 주소 "https://wiki.qisk.or.kr/반도체_기반"

반도체 기반 편집하기 (부분)

둘러보기 메뉴

검색