KR101958929B1 - 다이아몬드 양자노드와 이를 생성하는 방법 및 이에 따라 생성된 다이아몬드 양자노드를 제어하는 방법과 장치 - Google Patents

다이아몬드 양자노드와 이를 생성하는 방법 및 이에 따라 생성된 다이아몬드 양자노드를 제어하는 방법과 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다이아몬드 양자노드와 이를 생성하는 방법 및 이에 따라 생성된 다이아몬드 양자노드를 제어하는 방법과 장치를 개시하고 있다. 본 발명의 일 실시예는, 전자스핀과 핵스핀을 포함하는 NV 중심 및 전자스핀과 핵스핀을 포함하는 질소 불순물을 포함하고, 상기 NV 중심의 전자스핀과 상기 질소 불순물의 전자스핀 간 자기 쌍극자 상호작용에 의해 형성되는 다이아몬드 양자노드를 제공한다. 본 발명에 따르면, 다이아몬드 결정에 질소 이온을 주입하여 생성된 NV 중심과 NV 중심으로 생성되지 못한 질소 불순물(P1 중심)의 전자스핀을 이용하여 사용 가능한 양자 메모리(핵스핀)의 개수를 늘릴 수 있다.

Description

다이아몬드 양자노드와 이를 생성하는 방법 및 이에 따라 생성된 다이아몬드 양자노드를 제어하는 방법과 장치{DIAMOND QUANTUM NODE, FABRICATION METHOD THEREOF, METHOD AND APPARATUS OF CONTROLLING DIAMOND QUANTUM NODE FABRICATED THEREFROM}
본 발명은 다이아몬드 양자노드와 이를 생성하는 방법 및 이에 따라 생성된 다이아몬드 양자노드를 제어하는 방법과 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다이아몬드 결정에 질소 이온 주입 후, NV 중심으로 생성되지 못하고 남아 있는 다수의 질소 불순물의 전자스핀을 이용하여 사용 가능한 양자 메모리(핵스핀)의 개수를 늘릴 수 있는 기술에 관한 것이다.
별개의 스핀 상태를 갖는 입자, 예를 들어 원자 결함의 전자, 원자 핵 등의 스핀 상태를 여러 방법을 사용하여 조작할 수 있으며, 이러한 스핀 상태를 검출기를 사용하여 검출하거나 조절 가능하게 변경시킬 수 있는 것은 자명한 사실이다.
별개의 스핀 상태를 갖는 전자, 원자 핵은 전통적인 컴퓨터에서 "비트"와 비슷하며 "양자 비트"(또는 "큐비트"(qubit 또는 qbit))라 지칭된다. 그러나, 상기 스핀 상태의 양자 성질로 인해, 큐비트는 2 개의 스핀 상태 중 하나뿐만 아니라 상기 스핀 상태의 중첩으로도 존재할 수 있다.
큐비트를 기반으로 한 컴퓨터는 기존의 전통적인 컴퓨터보다 훨씬 더 빠른 속도로 계산할 수 있게 하는 것이 바로 이 스핀 상태의 중첩 개념이며, 도청이 불가능하도록 하는 암호 작성술 분야 등에서도 쓰인다.
큐비트의 집적화에 사용되는 물질 중에서도, 다이아몬드는, 결정 중의 컬러 센터가 실온ㆍ대기 중에서 소위 "저온ㆍ진공 중의 원자(trapped atoms)" 처럼 행동하는 특이한 결정 격자라 할 수 있다. 다이아몬드 중에 형성되는 질소-공공(결함) 복합체 NV(Nitrogen Vacancy) 중심(center)은 컬러 센터의 1종이며, 도 1에 도시한 바와 같이, 탄소를 치환한 질소(N)와, 이 질소의 인접에 위치하는 원자 공공(V)을 수반하고, 스핀 S=1을 갖는다.
또한, NV중심의 종류로는 전하를 가지는 NV- 중심, 유사하지만 전하를 가지지 않는 NV0 중심, Ns중심 등이 있다. NV중심은 통상 두 개의 전하 상태(NV-와 NV0) 중의 하나의 상태에 있다.
이러한NV 중심이 전자를 포획하여 음전하의 상태에 있는 NV-중심은, 실온에서 광에 의한 단일 스핀의 측정, 검출 및 조작이 가능하고, 코히런스 시간(coherence time)이 길다고 하는 특징이 있다고 알려져 있다.
즉, 큐비트를 기반으로 한 컴퓨터를 구현하기 위해 양자레지스터의 스핀 상태는 검출이 가능해야 하고, 원하는 계산이 실행되고 그 결과가 검출되는데 충분한 길이의 수명을 가지고 있어야 하며, 실온에서 작동 가능해야 하는데, 이러한 양자레지스터를 구현하는데 가장 최적화된 물질 중 하나가 다이아몬드라고 알려져 있으며, 다이아몬드는 광투과성과 광굴절률도 높다.
NV 중심을 모식화한 그림을 도시한 도 2를 참조하면, NV 중심의 전자스핀(201)은 미세 상호작용(hyperfine interaction. 202)을 통해 핵스핀(203)과 상호작용을 수행하여 양자레지스터를 구성할 수 있다.
핵스핀은 양자레지스터에서 양자 메모리로서의 역할을 수행하며, NV 중심의 전자스핀은 핵스핀의 초기화와 스핀 상태 측정에 사용된다. 일반적으로, 핵스핀과 전자스핀의 상호작용이 가능한 거리는 1 nm 이하로 알려져 있으며, 다이아몬드에 존재하는 원자들 중 핵스핀이 0이 아닌 것들 중에서 가장 높은 확률로 존재하는 13C (탄소13)은 자연 상태의 존재비가 1.1%에 불과하다.
따라서, 양자 메모리에 해당하는 핵스핀의 개수를 늘리기 위해서는, 핵스핀과 전자스핀의 상호작용이 가능한 거리보다 비교적 먼 거리에서 자기 쌍극자 상호작용(204)이 가능한 전자스핀(205)들을 다수 생성 시키고, 이렇게 생성된 다수의 전자스핀(205)들과 미세 상호작용을 수행하는 핵스핀(206)과, 다른 전자스핀(201)들과의 상호작용을 매개할 수 있도록 해야 한다.
상술한 사항을 구현하기 위해, 주로 NV 중심의 전자스핀들을 자기 쌍극자 상호작용이 가능한 거리(약 40nm 이하) 내에 여러 개 생성시키는 방법을 사용한다. 그러나, 이러한 방법은 NV 중심의 생성 확률 자체가 상당히 낮아(예컨대, NV 중심을 생성시키기 위해 직경 50nm 크기의 홀을 통해 질소 이온을 주입하여 NV-NV 쌍 생성을 시도한 최근의 연구(비특허문헌 [1] I. Jakobi, S. A. Momenzadeh, F. F. de Oliveira, J. Michl, F. Ziem, M. Schreck, P. Neumann, A. Denisenko, and J. Wrachtrup, J. Phys. Conf. Ser. 752, 12001 (2016).)에서 성공률이 0.1%로 측정됨), 실현시키기 어려운 문제가 있으며, 이온 주입된 다수의 N이온이 NV 중심으로 변환되지 못하는 것이 NV 중심의 생성 확률이 낮은 주된 원인으로 꼽히고 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 다이아몬드 결정에 질소 이온을 주입하여 생성된 NV 중심과 NV 중심으로 생성되지 못한 질소 불순물(P1 중심)의 결합으로 형성된 다이아몬드 양자노드를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 기술적 과제는 NV 중심과 질소 불순물의 결합된 형태인 다이아몬드 양자노드를 생성하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 기술적 과제는 상술한 다이아몬드 양자노드를 제어하는 방법과 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 전자스핀과 핵스핀을 포함하는 NV 중심 및 전자스핀과 핵스핀을 포함하는 질소 불순물을 포함하고, 상기 NV 중심의 전자스핀과 상기 질소 불순물의 전자스핀 간 자기 쌍극자 상호작용에 의해 형성되는 다이아몬드 양자노드를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 다이아몬드 양자노드는, 하나의 상기 NV 중심과, 상기 하나의 상기 NV 중심과 인접한 하나 이상의 상기 질소 불순물이 결합된 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 다이아몬드 양자노드는, 하나의 상기 질소 불순물과, 상기 하나의 상기 질소 불순물과 인접한 하나 이상의 상기 NV 중심이 결합된 형태일 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 양자노드의 상기 질소 불순물의 스핀 상태 측정, 상기 질소 불순물과 상호작용하는 핵스핀의 스핀 상태 측정 및 상기 다이아몬드 양자노드의 스핀 상태 측정 중 적어도 어느 하나를 수행하는 다이아몬드 양자노드 제어 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명의 다른 실시예는, 다이아몬드에 질소 이온을 주입하여 NV 중심과 질소 불순물(P1 중심)을 형성하는 질소 이온 주입 단계 및 상기 질소 이온 주입 단계에 의해 생성된 NV 중심 및 질소 불순물간 자기 쌍극자 상호작용이 진행되어 NV-P1 쌍 형태인 다이아몬드 양자노드가 형성되는 상호작용 단계를 포함하는 다이아몬드 양자노드 생성 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 질소 이온 주입 단계는, 상기 다이아몬드 상에 나노 단위의 구멍이 형성된 특정 두께의 마스크를 형성하는 과정과 상기 질소 이온을 상기 다이아몬드에 주입하는 질소 주입 과정을 통해 원하는 위치에 상기 NV 중심 및 상기 질소 불순물을 형성하는 단계일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 NV 중심 및 상기 질소 불순물은 각각 전자스핀과 양자 메모리에 해당하는 핵스핀을 포함할 수 있으며, 자기 쌍극자 상호작용은 상기 NV 중심의 전자스핀과 상기 질소 불순물의 전자스핀 사이에 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 NV-P1 쌍은, 하나의 NV 중심과 상기 하나의 NV 중심에 인접한 하나 이상의 질소 불순물의 자기 쌍극자 상호작용을 통해 생성된 NV-P1 쌍일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 NV-P1 쌍은, 하나의 질소 불순물과 상기 하나의 질소 불순물에 인접한 하나 이상의 NV 중심의 자기 쌍극자 상호작용을 통해 생성된 NV-P1 쌍일 수 있다.
또한, 상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예는, 다이아몬드에 질소 이온을 주입하여 NV 중심과 질소 불순물(P1 중심)을 형성하는 질소 이온 주입 단계, 상기 질소 이온 주입 단계에 의해 생성된 NV 중심 및 질소 불순물간 자기 쌍극자 상호작용이 진행되어 NV-P1 쌍 형태인 다이아몬드 양자노드가 형성되는 상호작용 단계 및 상기 NV-P1 쌍의 스핀 상태를 측정하거나, 상기 NV-P1 쌍의 스핀 상태를 제어하는 제어 단계를 포함하는 다이아몬드 양자노드 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 제어 단계는, 상기 질소 불순물의 스핀 상태 측정, 상기 질소 불순물과 상호작용하는 핵스핀의 스핀 상태 측정 및 상기 NV-P1 쌍의 스핀 상태 측정 중 적어도 어느 하나를 수행하는 단계일 수 있다.
본 발명에 따르면, 다이아몬드 결정에 질소 이온을 주입하여 생성된 NV 중심과 NV 중심으로 생성되지 못한 질소 불순물(P1 중심)의 결합으로 형성된 다이아몬드 양자노드를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 다이아몬드 결정에 질소 이온을 주입하여 생성된 NV 중심과 NV 중심으로 생성되지 못한 질소 불순물(P1 중심)의 전자스핀을 이용하여 사용 가능한 양자 메모리(핵스핀)의 개수를 늘릴 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 질소 불순물(P1 중심)의 전자스핀과 NV 중심의 전자스핀간의 자기 쌍극자 상호작용을 수행하여 질소 불순물(P1 중심)의 스핀 상태 측정이 가능하도록 할 수 있고, 질소 불순물(P1 중심)과 상호작용하는 핵스핀들의 스핀 상태 측정 및 제어를 수행할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 NV 중심을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2는 NV 중심에 존재하는 스핀들과 NV 중심들 간의 상호작용을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 양자노드의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 양자노드의 일 예시 형태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 양자노드의 다른 예시 형태를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 다이아몬드 양자노드의 스핀 상태를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다이아몬드 양자노드 생성 방법의 절차를 도시한 흐름도이다.
도 8은 도 7에 도시된 다이아몬드 양자노드 생성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이아몬드 양자노드 제어 방법의 절차를 도시한 흐름도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 도면에 나타난 각 구성요소의 크기, 형태, 형상은 다양하게 변형될 수 있고, 명세서 전체에 대하여 동일/유사한 부분에 대해서는 동일/유사한 도면 부호를 붙였다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(구비 또는 마련)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 “포함(구비 또는 마련)”할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하며, 분산되어 실시되는 구성요소들은 특별한 제한이 있지 않는 한 결합된 형태로 실시될 수도 있다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 명세서 상에서 사용되는 표현 중 다이아몬드, 다이아몬드 결정 등은 CVD(Chemical　Vapor　Deposition) 등의 화학적 증착방법을 통해 형성되는 다이아몬드 단결정을 의미하는 것일 수 있으며, 그 두께는 다양하게 변형되어 구현될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 양자노드(이하, “다이아몬드 양자노드(1)”라 함)의 구성을 도시한 도면으로서, 다이아몬드 양자노드(1)는 NV 중심(100)과 질소 불순물(200; P1 중심; 이하 “P1 중심(200)”이라 함)을 포함한다.
다이아몬드 결정에 질소를 주입하여 생성할 수 있는 NV 중심(100)은 전자스핀(110)과 핵스핀(130)을 포함하며, P1 중심(200) 역시 다이아몬드 결정에 질소를 주입하여 생성될 수 있으며 전자스핀(210)과 핵스핀(230)을 포함한다.
NV 중심(100)은 전자스핀(110)과 핵스핀(130)의 미세 상호작용(120)을 통해 양자레지스터를 구현할 수 있고, 이 중 핵스핀(130)은 양자메모리로 구현될 수 있다.
P1 중심(200) 역시 전자스핀(210)과 핵스핀(230)의 미세 상호작용(220)을 통해 양자레지스터를 구현할 수 있고, 이 중 핵스핀(230)은 양자메모리로 구현될 수 있다.
또한, 다이아몬드 양자노드(1)는 NV 중심(100)의 전자스핀(110)과 P1 중심(200)의 전자스핀(210) 간 자기 쌍극자 상호작용(300)에 의해 형성될 수 있다. 다이아몬드 결정에 질소 이온을 주입하는 경우 NV 중심으로 생성되지 못한 채 남아 있는 질소 불순물(P1 중심)의 농도가 생성된 NV 중심의 농도보다 일반적으로 높으므로, NV 중심(100)과 P1 중심(200)이 자기 쌍극자 상호작용(300)에 의해 NV-P1 쌍 형태의 다이아몬드 양자노드(1)를 형성할 수 있다.
따라서, NV 중심(100)의 전자스핀(110)은 spin-dependent recombination을 이용하여 스핀 상태의 측정이 가능한데 반해, P1 중심(200)의 전자스핀(200)은 측정이 불가능하므로, 양자레지스터 또는 양자메모리 구현에 P1 중심(200)을 사용할 수 없다. 그러나, P1 중심(200)의 전자스핀(210)이 NV 중심(100)의 전자스핀(110)과 자기 쌍극자 상호작용(300)을 수행하여 다이아몬드 양자노드(1)를 형성하면 P1 중심(200)의 전자스핀(210)의 스핀 상태 측정이 가능하며, 또한, P1중심(200)과 상호작용하는 핵스핀들의 제어 및 스핀 상태 측정도 가능하다.
즉, 다이아몬드에 질소를 주입하였으나 NV 중심으로 생성되지 못한 채 남아 있 P1 중심(200)의 전자스핀(210)을 매개 스핀으로 사용하면 사용 가능한 양자 메모리(핵스핀)의 개수를 훨씬 더 늘릴 수 있다.
도 4는 다이아몬드 양자노드(1)의 일 예시 형태를 도시한 도면이다.
다이아몬드 양자노드(1)는 하나의 NV 중심(100)과, 하나의 NV 중심(100)과 인접한 하나 이상의 P1 중심(200) 결합된 형태일 수 있으며, 도 4에는1개의 NV 중심(100)에 2개의 P1 중심(200)이 결합된 형태를 나타내었으나, 1개의 NV 중심(100)에 3개 이상의 P1 중심(200)이 결합된 형태로 다이아몬드 양자노드(1)가 구현될 수도 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 다이아몬드 결정에 질소 이온을 주입하는 NV 중심으로 생성되지 못한 채 남아 있는 질소 불순물(P1 중심)의 농도가 생성된 NV 중심의 농도보다 일반적으로 높으므로, 다이아몬드 결정에 충분히 높은 밀도로 질소 이온을 주입하면 도 4에 도시된 바와 같이, 하나의 NV 중심(100)에 두 개의 P1 중심(200)이 자기 쌍극자 상호작용(301, 302)을 할 수 있는 위치에 존재하게 될 가능성을 높일 수 있다.
도 5는 다이아몬드 양자노드(1)의 다른 예시 형태를 도시한 도면이다.
다이아몬드 양자노드(1)는, 하나의 P1 중심(200)과, 하나의 P1 중심(200)과 인접한 하나 이상의 NV 중심(100)이 결합된 형태일 수 있으며, 도 5에는 하나의 P1 중심(200)에 2개의 NV 중심(100)이 결합된 형태를 나타내었으나, 1개의 P1 중심(200)에 3개 이상의 NV 중심(100)이 결합된 형태로 다이아몬드 양자노드(1)가 구현될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 다이아몬드 양자노드의 스핀 상태를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
NV중심(100)은 외부 자기장이 없는 경우 바닥 상태는도 6 에 도시된 그림의 왼쪽과 같이 3개의 스핀 상태(ms=+1, 0, -1)로 존재한다.
P1 중심(200)의 전자스핀(210)과 핵스핀(230)(주로 14N이며 스핀 양자수 I=1)이 미세 상호작용을 하고 있으면서 P1 중심(200)의 전자스핀(210)과 NV 중심의 전자스핀(210) 사이에 자기 쌍극자 상호작용이 존재하는 경우 NV-P1 쌍의 형태인 다이아몬드 양자노드(1)의 전자스핀 상태는 도 6에 도시된 그림의 오른쪽과 같이 여러 구분 가능한 상태로 나뉜다.
이들 사이의 전자스핀 자기공명 (Electron Spin Resonance, 실선 화살표)은 NV중심(100)의 전자 스핀 상태뿐 만 아니라, P1 중심(200)의 전자스핀(21)과 핵스핀 (230) 상태에 따라 그 에너지가 달라지므로, NV-P1 쌍 형태인 다이아몬드 양자노드(1)의 다양한 스핀 상태 제어 및 측정이 가능해지고 스핀 큐비트의 집적이 가능해질 수 있다.
즉, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 상술한 다이아몬드 양자노드(1)의 NV 중심(100)과 P1 중심(200)의 스핀 상태 측정, P1 중심(200)과 상호작용하는 핵스핀들의 스핀 상태 측정 및 다이아몬드 양자노드(1)의 스핀 상태 측정 중 적어도 어느 하나를 수행하는 다이아몬드 양자노드 제어 장치(도시하지 않음)를 구현할 수 있고, 이에 따른 스핀 큐비트의 집적화도 구현할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다이아몬드 양자노드 생성 방법(이하, “다이아몬드 양자노드 생성 방법(2)”이라 함)의 절차를 도시한 흐름도이다.
다이아몬드 양자노드 생성 방법(2)은, 다이아몬드 결정에 질소 이온을 주입하여 NV 중심과 질소 불순물(P1 중심)을 형성하는 질소 이온 주입 단계(S210)와, 질소 이온 주입 단계(S210)에 의해 생성된 NV 중심 및 질소 불순물간 자기 쌍극자 상호작용이 진행되어 NV-P1 쌍이 형성되는 상호작용 단계(S220)를 포함한다.
질소 이온 주입 단계(S100)는 상기 다이아몬드 결정 상에 나노 단위의 구멍이 형성된 특정 두께의 마스크를 형성하는 과정과 상기 질소 이온을 상기 다이아몬드에 주입하는 질소 주입 과정을 통해 원하는 위치에 상기 NV 중심 및 상기 질소 불순물을 형성하는 단계일 수 있다.
여기서, 상기 NV 중심 및 상기 질소 불순물은 각각 전자스핀과 양자 메모리에 해당하는 핵스핀을 포함하며, 상기 자기 쌍극자 상호작용은 상기 NV 중심의 전자스핀과 상기 질소 불순물의 전자스핀 사이에 수행된다.
또한 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한 다이아몬드 양자노드(1)와 같이, 상기 NV-P1 쌍은, 하나의 NV 중심과 상기 하나의 NV 중심에 인접한 하나 이상의 질소 불순물의 자기 쌍극자 상호작용을 통해 생성된 NV-P1 쌍일 수 있으며, 상기 NV-P1 쌍은, 하나의 질소 불순물과 상기 하나의 질소 불순물에 인접한 하나 이상의 NV 중심의 자기 쌍극자 상호작용을 통해 생성된 NV-P1 쌍일 수도 있다.
다이아몬드 양자노드 생성 방법(2)을 설명하기 위해 도시한 도 8을 참조하면, 주입되는 질소 이온을 막을 수 있는 두께의 마스크를 다이아몬드 표면에 생성하고 그 마스크에 수십 나노 미터 정도 크기의 작은 구멍을 뚫은 상태로 이온 주입을 할 수 있으며, 이 경우 원하는 위치에 NV 중심을 형성시킬 수 있다(해당 위치에 질소 불순물(P1 중심)들이 NV 중심으로 생성되지 못한 채 남아 있게 됨).
이러한 방법으로 질소 이온을 주입하여 NV-P1 쌍을 형성시키면 원하는 위치에 NV-P1 쌍이 형성되도록 할 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이아몬드 양자노드 제어 방법(이하, “다이아몬드 양자노드 제어 방법(3)”이라 함.)의 절차를 도시한 흐름도로서, 다이아몬드 양자노드 제어 방법(3)은 도 7에 도시된 다이아몬드 양자노드 생성 방법(2)과 동일하게 다이아몬드 결정에 질소 이온을 주입하여 NV 중심과 질소 불순물(P1 중심)을 형성하는 질소 이온 주입 단계(S310)와, 질소 이온 주입 단계(S310)에 의해 생성된 NV 중심 및 질소 불순물간 자기 쌍극자 상호작용이 진행되어 NV-P1 쌍이 형성되는 상호작용 단계(S320)를 포함하고, 이에 더하여 상기 NV-P1 쌍의 스핀 상태를 측정하거나, 상기 NV-P1 쌍의 스핀 상태를 제어하는 제어 단계(S330)를 더 포함한다.
제어 단계(S330)는 상기 질소 불순물의 스핀 상태 측정, 상기 질소 불순물과 상호작용하는 핵스핀들의 스핀 상태 측정 및 상기 NV-P1 쌍의 스핀 상태 측정 중 적어도 어느 하나를 수행하는 단계일 수 있다.
지금까지 설명한 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 다이아몬드 결정에 질소 이온을 주입하여 생성된 NV 중심(100)과 NV 중심으로 생성되지 못한 질소 불순물(P1 중심, 200)의 전자스핀(210)을 이용하여 사용 가능한 양자 메모리(핵스핀)의 개수를 늘릴 수 있고, 질소 불순물(P1 중심, 200)의 전자스핀(210)과 NV 중심(100)의 전자스핀(110)간의 자기 쌍극자 상호작용을 수행하여 질소 불순물(P1 중심, 200)의 스핀 상태 측정이 가능하도록 할 수 있고, 질소 불순물(P1 중심, 200)과 상호작용하는 핵스핀들의 스핀 상태 측정 및 제어를 수행할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따라 다이아몬드에 질소 이온을 주입하는 단계는 다양한 방법의 임플란트 공정을 이용하여 수행될 수 있고, 어닐링 등의 열처리 공정과 에칭 등의 식각 공정이 전술한 S210, S220, S310, S320 등의 단계에서 이용될 수 있으며, 전술한 단계들과 별도로 수행될 수도 있다.
상술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1 : 다이아몬드 양자노드
100 : NV 중심
110 : 전자스핀
130 : 핵스핀
200 : 질소 불순물(P1 중심)
210 : 전자스핀
230 : 핵스핀
300 : 자기 쌍극자 상호작용

Claims (11)

  1. 다이아몬드에 질소 이온을 주입하여 형성되는 NV 중심과 NV 중심으로 생성되지 못한 채 남게 되는 질소 불순물을 이용하여 형성되는 다이아몬드 양자노드에 있어서,
    전자스핀과 핵스핀을 포함하는 NV 중심; 및
    전자스핀과 핵스핀을 포함하는 질소 불순물을 포함하고,
    상기 NV 중심의 전자스핀과 상기 질소 불순물의 전자스핀 간 자기 쌍극자 상호작용에 의해 형성되며, 상기 NV 중심의 전자스핀과 상기 질소 불순물의 전자스핀 간의 자기 쌍극자 상호작용에 의해 이온 주입된 질소이온 중 NV중심으로 변환되지 못한 상기 질소불순물을 이용하여 사용 가능한 핵스핀의 개수를 늘리게 위해 결합된 상태인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 양자노드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다이아몬드 양자노드는,
    하나의 상기 NV 중심과, 상기 하나의 상기 NV 중심과 인접한 하나 이상의 상기 질소 불순물이 결합된 형태인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 양자노드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다이아몬드 양자노드는,
    하나의 상기 질소 불순물과, 상기 하나의 상기 질소 불순물과 인접한 하나 이상의 상기 NV 중심이 결합된 형태인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 양자노드.
  4. 제1항에 따른 다이아몬드 양자노드의 상기 질소 불순물의 스핀 상태 측정, 상기 질소 불순물과 상호작용하는 핵스핀의 스핀 상태 측정 및 상기 다이아몬드 양자노드의 스핀 상태 측정 중 적어도 어느 하나를 수행하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 양자노드 제어 장치.
  5. 다이아몬드에 질소 이온을 주입하여 NV 중심과 질소 불순물(P1 중심)을 형성하는 질소 이온 주입 단계; 및
    상기 질소 이온 주입 단계에 의해 생성된 NV 중심 및 질소 불순물간 자기 쌍극자 상호작용이 진행되어, 상기 NV 중심의 전자스핀과 상기 질소 불순물의 전자스핀 간의 자기 쌍극자 상호작용에 의해 이온 주입된 질소이온 중 NV중심으로 변환되지 못한 상기 질소불순물을 이용하여 사용 가능한 핵스핀의 개수를 늘리게 위해 결합된 상태인 NV-P1 쌍 형태의 다이아몬드 양자노드가 형성되는 상호작용 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 양자노드 생성 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 질소 이온 주입 단계는,
    상기 다이아몬드 상에 나노 단위의 구멍이 형성된 특정 두께의 마스크를 형성하는 과정과 상기 질소 이온을 상기 다이아몬드에 주입하는 질소 주입 과정을 통해 원하는 위치에 상기 NV 중심 및 상기 질소 불순물을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 양자노드 생성 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 NV 중심 및 상기 질소 불순물은 각각 전자스핀과 양자 메모리에 해당하는 핵스핀을 포함하며,
    상기 자기 쌍극자 상호작용은 상기 NV 중심의 전자스핀과 상기 질소 불순물의 전자스핀 사이에 수행되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 양자노드 생성 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 NV-P1 쌍은,
    하나의 NV 중심과 상기 하나의 NV 중심에 인접한 하나 이상의 질소 불순물의 자기 쌍극자 상호작용을 통해 생성된 NV-P1 쌍인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 양자노드 생성 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 NV-P1 쌍은,
    하나의 질소 불순물과 상기 하나의 질소 불순물에 인접한 하나 이상의 NV 중심의 자기 쌍극자 상호작용을 통해 생성된 NV-P1 쌍인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 양자노드 생성 방법.
  10. 다이아몬드에 질소 이온을 주입하여 NV 중심과 질소 불순물(P1 중심)을 형성하는 질소 이온 주입 단계;
    상기 질소 이온 주입 단계에 의해 생성된 NV 중심 및 질소 불순물간 자기 쌍극자 상호작용이 진행되어, 상기 NV 중심의 전자스핀과 상기 질소 불순물의 전자스핀 간의 자기 쌍극자 상호작용에 의해 이온 주입된 질소이온 중 NV중심으로 변환되지 못한 상기 질소불순물을 이용하여 사용 가능한 핵스핀의 개수를 늘리게 위해 결합된 상태인 NV-P1 쌍 형태의 다이아몬드 양자노드가 형성되는 상호작용 단계; 및
    상기 NV-P1 쌍의 스핀 상태를 측정하거나, 상기 NV-P1 쌍의 스핀 상태를 제어하는 제어 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 양자노드 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어 단계는,
    상기 질소 불순물의 스핀 상태 측정, 상기 질소 불순물과 상호작용하는 핵스핀의 스핀 상태 측정 및 상기 NV-P1 쌍의 스핀 상태 측정 중 적어도 어느 하나를 수행하는 단계인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 양자노드 제어 방법.

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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160111445A (ko) * 2014-01-20 2016-09-26 고쿠리츠켄큐카이하츠호진 카가쿠기쥬츠신코키코 다이아몬드 결정, 다이아몬드 소자, 자기 센서, 자기 계측 장치 및 센서 어레이의 제조 방법
US20160356863A1 (en) * 2014-03-20 2016-12-08 Lockheed Martin Corporation Dnv magnetic field detector

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160111445A (ko) * 2014-01-20 2016-09-26 고쿠리츠켄큐카이하츠호진 카가쿠기쥬츠신코키코 다이아몬드 결정, 다이아몬드 소자, 자기 센서, 자기 계측 장치 및 센서 어레이의 제조 방법
US20160356863A1 (en) * 2014-03-20 2016-12-08 Lockheed Martin Corporation Dnv magnetic field detector

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Jian Xing,. Electron Spin Decoherence of Nitrogen-Vacancy Center Coupled to Multiple Spin Baths CHIN. PHYS. LETT. Vol. 33, No. 10 (2016) 107601 *
Lilian Childress and Ronald Hanson,. Diamond NV centers for quantum computing and quantum networks *
Wolfgang Pfaff,. Quantum measurement and entanglement of spin quantum bits in diamond *

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