초록 ▼

□ 연구개요
본 연구는 고체 내부의 전자 또는 원자핵 스핀의 개별 양자정보 저장/처리를 기반으로, 집적도 높은 양자정보 플랫폼을 구현하기 위한 원천 실험연구임.
첫째, 현존하는 플랫폼인 다이아몬드 내부의 질소-공공 결함 (nitrogen-vacancy center, 이하 NV 센터)을 이용한 스핀 양자정보 시스템의 낮은 양자상태 검출 효율을 획기적으로 극복할 수 있는 독창적인 양자 스핀 레지스터 – 디텍터 집적형 하드웨어를 실험적으로 구현하고 스핀 양자정보의 전기적 고속 측정을 실현함.
둘째, 초미세 상호작용 (hy

□ 연구개요
본 연구는 고체 내부의 전자 또는 원자핵 스핀의 개별 양자정보 저장/처리를 기반으로, 집적도 높은 양자정보 플랫폼을 구현하기 위한 원천 실험연구임.
첫째, 현존하는 플랫폼인 다이아몬드 내부의 질소-공공 결함 (nitrogen-vacancy center, 이하 NV 센터)을 이용한 스핀 양자정보 시스템의 낮은 양자상태 검출 효율을 획기적으로 극복할 수 있는 독창적인 양자 스핀 레지스터 – 디텍터 집적형 하드웨어를 실험적으로 구현하고 스핀 양자정보의 전기적 고속 측정을 실현함.
둘째, 초미세 상호작용 (hyperfine interaction)을 기반으로 스핀 자기공명, 제어 오류 자체보정형 큐빗 (qubit) 게이트 펄스, 동적 디커플링 방법 등을 이용한 고 충실도 단일 및 5개 이상 스핀의 다중 큐빗 양자 게이트 (multi qubit quantum gate) 를 구현함.
셋째, 개발된 양자 게이트를 이용하여 다중 스핀간의 양자정보를 교환하고, 특히 다중 핵스핀을 이용한 에러 보정형 양자 메모리를 실험적으로 구현함.
최종적으로, 양자 우위 (quantum supremacy)급의 확장성 (scalability) 을 향한 새로운 양자 프로세서 플랫폼을 개발하는 것을 목표로 함.

□ 연구 목표대비 연구결과
○ 1차년도 목표는 저온 다이아몬드 질소 공공 결함 상태 측정 플랫폼 개발이며, 저온 워크스테이션과 결합형 광자 계수/공초점 현미경을 개발하였고, SC-NV/Gr-SC초전도 스위치형 양자정보 플랫폼과 NM-NV/Gr-NM 볼로메트리형 양자정보 플랫폼의 하드웨어 공정법을 확립함.
○ 2차년도 목표는 초전도 스위치형 및 볼로메트리형 플랫폼 제작 및 측정 셋업 구축이며, VGJJ 초전도 스위치형/볼로메트리형 양자정보 플랫폼의 공정법을 확립하고 측정 장비를 구축하였으며 존슨 노이즈를 이용하여 다이아몬드 내 질소 공공 결함의 스핀 상태를 측정함.
○ 3차년도 목표는 광 이온화 응용과 머신러닝을 중심으로 다양한 연구 목표를 설정하였으며, 질소 공공 결함의 스핀 상태 측정 방법을 확립, 머신러닝을 활용한 초미세상호작용 계수를 추출하는 방법을 개발함. 또한, 미토콘드리아의 온도변화를 측정하고, 저온 환경에서의 Single shot measurement 셋업을 완료함.
○ 4차년도 목표는 MW dressed state 온도 측정법으로 2차원 온도 이미징 방법 개발, 고효율 광집도를 위한 고체침지렌즈 제작 방법고안, 머신러닝을 이용한 핵스핀-핵스핀 상호작용 분석으로 하였으며, 10도 미만의 온도 변화를 측정법 개발 및 온도 이미지의 분해능을 크게 향상시켰고 고체침지렌즈를 사용하여 다이아몬드에서 검출되는 시간당 광자 수를 크게 증가시켰으며 머신러닝 모델을 이용하여 핵스핀-핵스핀 상호작용 분석 분해능을 개선함.
○ 5차년도 목표는 세포의 활동 중 온도변화 측정 및 양자 상태 측정 개선을 목표로하였으며, 암세포의 대사과정동안에 마이크로초단위의 시간간격으로 나노미터 단위의 공간상 온도 변화를 측정함. 또한 다이아몬드 질소 공공 결함 소자의 공정법을 개선하여 광포집 효율을 높여 양자상태 측정을 개선함.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
○ 본 연구는 세계적으로 시도되지 않은 새로운 양자정보 검출법을 적용한 실현 가능성 높은 양자 하드웨어 구조를 제안하고 있으며, 연구가 성공시 실용적 양자 정보 처리/저장법에 대한 하드웨어분야의 기초연구결과를 제공할 수 있음. 또한 본 연구에서 개발된 플랫폼은 상태 검출 효율의 극대화, 양자소자의 확장성 확보와 같은 중요한 양자기술의 난제에 대한 새로운 해결법을 제공하며, 차세대 큐빗 플랫폼에 대한 새로운 이해에 파급효과가 큼.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 4
• (1) 1차년도 ... 4
• (2) 2차년도 ... 4
• (3) 3차년도 ... 5
• (4) 4차년도 ... 6
• (5) 5차년도 ... 7
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 8
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 8
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 14
• 3) 목표 달성 수준 ... 15
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 16
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 17
• 6. 자체점검표 ... 18
• 7. 참고문헌 ... 18
• 끝페이지 ... 53