나노기술 및 정책 정보

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로체스터 대학교와 코넬 대학교(University of Rochester and Cornell University) 공동연구팀이 양자 컴퓨팅 및 양자 통신 시스템의 핵심 요소인 광자, 즉 질량이 없는 빛 측정치를 사용하여 장거리 정보를 교환하는 통신 네트워크를 개발하는 데 중요한 이정표를 세웠음. 양자 역학을 특징으로 하는 빛과 물질의 물리적 특성을 활용하도록 설계된 이러한 양자 네트워크의 개발은 현재 사용되는 컴퓨팅과 네트워크에 비해 사물과 물질을 더 빠르고 효율적으로 통신, 계산 및 감지할 수 있는 방법을 약속함. 연구팀은 레이저 광을 사용하여 광자를 방출하고 받아들이는 다른 노드와 상호 작용할 수 있는 자기 및 반도체 재료로 만든 나노 스케일 노드를 설계했음. 노드는 높이가 120 나노미터에 불과한 기둥 배열로 구성됨. 기둥은 원자적으로 얇은 반도체 및 자성 물질층을 포함하는 플랫폼의 일부임. 어레이는 각 기둥이 광자와 상호 작용할 수 있는 양자 상태에 대한 위치 마커 역할을 하고 관련 광자가 장치 전체의 다른 위치 및 다른 위치의 유사한 어레이와 잠재적으로 상호 작용할 수 있도록 설계되었음. 원격 네트워크를 통해 양자 노드를 연결할 수 있는 이러한 잠재력은 입자의 속성이 아원자 수준에서 어떻게 연결되는지를 설명하는 양자 역학 현상인 얽힘 개념을 활용함. 원하는 경우 다양한 공간 위치가 정보를 저장하고 광자와 상호 작용할 수 있는 일종의 레지스터를 가지는 출발점임.

이 연구는 소위 Van der Waals heterostructures에서 tungsten diselenide (WSe2)를 사용하여 최근 몇 년 동안 수행 한 작업을 기반으로 함. 이 작업은 단일 광자를 생성하거나 캡처하기 위해 위로 적층된 원자적으로 얇은 재료의 레이어를 사용함. 이 새로운 장치는 기본적으로 반응성이 높은 크롬 3요오드화물(CrI3) 층이 있는 기둥 위에 코팅된 WSe2의 새로운 정렬을 사용함. 원자적으로 얇은 12 미크론 면적의 층이 닿는 곳에 CrI3는 WSe2에 전하를 전달하여 각 기둥 옆에 "구멍"을 생성함. 양자 물리학에서 홀은 전자가 없다는 특징이 있음. 양전하를 띤 각 구멍은 또한 그와 관련된 이진 남북 자기 특성을 가지고 있으므로 각각은 나노 자석임. 장치가 레이저 빛을 받으면 추가 반응이 발생하여 나노 자석이 광자를 방출하고 상호 작용하는 개별 광학 활성 스핀 어레이로 전환됨. 고전적인 정보 처리는 0 또는 1의 값을 갖는 비트를 처리하는 반면, 스핀 상태는 0과 1을 동시에 인코딩할 수 있으므로 정보 처리의 가능성이 확장됨. 초박형 및 12 미크론 대형 CrI3를 사용하여 홀 스핀 방향을 제어할 수 있으므로 MRI 시스템에 사용되는 것과 유사한 거대한 자기 코일의 외부 자기장을 사용할 필요가 없음. 이것은 단일 홀 스핀을 기반으로 양자 컴퓨터를 소형화하는 데 큰 도움이 될 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 ‘Nature Communications’ ("Observation of site-controlled localized charged excitons in CrI3/WSe2 heterostructures") 지에 게재됨