UChicago PME 갈리 연구팀, 스핀 결함 내부 전환 계산 프레임워크 개발…탄화규소 큐비트 수명 불일치 해소

스핀 결함과 내부 전환의 어려움

다이아몬드나 탄화규소(SiC) 같은 고체에 존재하는 스핀 결함은 빛으로 초기화하고 읽어낼 수 있어 양자센서·양자컴퓨팅용 큐비트 후보로 주목받는다. 레이저로 여기된 스핀 결함은 광자를 방출하거나, 스핀이 다른 상태로 전이하거나, 에너지를 원자 진동으로 소산시키는 내부 전환을 통해 바닥 상태로 돌아간다. 처음 두 경로는 표준 양자역학 방정식으로 비교적 잘 다루어졌지만, 내부 전환은 전자-원자 상호작용을 수백~수천 개 원자 규모에서 동시에 고려해야 해 수치 계산 비용이 극히 높아 정확한 예측이 사실상 불가능했다.

새 계산 프레임워크의 핵심 구성

갈리 교수 연구팀은 다체 파동함수(many-body wavefunction)로 결함의 들뜬 상태를 기술하고, 여기에 원자 진동과의 결합 강도를 엄밀한 수학적 유도를 통해 해석적으로 표현하는 새 공식화를 완성했다. 기존 방식이 진동 구성(vibrational configuration)을 하나씩 순차 계산해야 했던 것과 달리, 새 알고리즘은 수백 개 인근 원자의 모든 진동 모드와의 결합을 한 번에 산출할 수 있다. 이 프레임워크는 MICCoM(중서부 통합 계산 재료 센터) 주관 하에 연구팀이 10년간 개발해온 오픈소스 GPU 최적화 시뮬레이션 코드 WEST에 통합되어 타 연구실도 즉시 활용 가능하다.

다이아몬드 NV 센터와 탄화규소 이중공공 검증

다이아몬드 질소-공공(NV) 센터에 적용했을 때, 삼중항 상태에서는 내부 전환의 기여가 미미하고 단일항 상태에서는 지배적인 에너지 손실 경로가 된다는 결과가 나왔으며, 이는 기존 분광 측정값과 잘 일치했다. 반면 탄화규소 이중공공에서는 예상보다 훨씬 큰 내부 전환 기여가 삼중항 들뜬 상태 수명에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 이는 이전 이론 예측과 실험 수명 사이에 존재하던 장기 불일치의 원인을 설명하며, SiC 기반 큐비트 설계에 직접적인 시사점을 제공한다.

에너지 기술로의 확장과 한계

연구팀은 이 프레임워크가 재생에너지 변환·저장에 쓰이는 재료에도 적용 가능하다고 밝혔다. 다만 현재 단계에서는 상당한 고성능 컴퓨팅 자원이 필요하다. 연구팀은 머신러닝을 들뜬 상태 계산에 통합해 효율을 높이는 방향을 모색 중이며, 실리콘 내 스핀 결함과 에너지 재료로 적용 범위를 확장하는 후속 연구를 진행하고 있다.