Research

1. Diamond for quantum networks and quantum sensing

Our research group explores quantum materials and devices that open new possibilities in quantum technologies. Quantum technology is emerging as a key field driving the next generation of computing, sensing, and communication, and at its core lies the fundamental unit of quantum information, the qubit. Among various qubit systems, nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond have drawn significant attention because they allow precise control of individual spins, marking important milestones in the field of quantum information science. In our lab, we focus on developing core technologies for quantum networking and quantum sensing based on NV centers. Our research in this area proceeds along three main directions, each addressing a crucial aspect of advancing solid-state quantum technologies.

저희 연구실은 양자 기술의 새로운 가능성을 열어가는 양자 물질과 소자를 연구합니다. 양자 기술은 차세대 컴퓨팅, 센싱, 통신을 이끌 핵심 분야로 주목받고 있으며, 그 중심에는 큐비트(qubit)라 불리는 작은 정보 단위가 있습니다.

그동안 다이아몬드 속 질소-공공(NV) 센터라는 결함은 단일 스핀을 정밀하게 제어할 수 있다는 점에서 큰 주목을 받았고, 양자 정보 과학의 중요한 이정표를 세웠습니다. 저희 연구실에서는 이러한 NV센터를 이용한 양자 네트워크 구현 요소 기술, 양자 센싱 구현 요소 기술을 연구하고 발전시키고 있습니다. 이 분야에서 저희 연구는 크게 세가지 방향으로 진행됩니다. 

1. 양자 네트워크 요소 기술 연구: NV센터 및 관련된 다이아몬드 스핀 큐비트의 스핀-광자 얽힘 현상을 연구합니다. 큐비트가 발생시키는 단일 광자의 발광 특성을 예측하고, 이를 개선할 수 있는 방법들을 제시합니다. 양자 메모리 특성을 개선할 수 있는 혁신적인 양자 프로토콜을 개발합니다. 

2. 얽힘 기반 양자 센싱을 통한 표준 양자 한계 극복 연구: 양자 센싱을 통한 양자 이득 구현을 위해서 양자 얽힘 기반 프로토콜을 연구합니다. NV센터와 주위에 있는 핵스핀 혹은 전자스핀들을 묶어서 스핀 레지스터로 구현하고 이들 사이의 얽힘을 생성하고 유지하며, 이를 통해 현실적인 조건에서 표준 양자 한계를 넘어설 수 있는 방안들을 연구합니다.

3. 현실적인 다이아몬드 잡음 환경 모델링 및 제어 방식 연구: 다이아몬드에는 다양한 상자성 결함들과 전하 트랩들이 존재하고 이들은 NV센터의 결잃음 및 양자 센싱 민감도를 저해하는 요소로 작용합니다. 저희 연구실에서는 다양한 제일원리 계산 방법론들을 결합하여 다이아몬드 내부의 노이즈 환경을 정량적으로 이해하고 이를 최대한으로 억제할 수 있는 방식들을 개발합니다. 

2. Quantum Information Materials and Devices

The idea of realizing and harnessing coherent quantum bits in scalable solid-state environments has attracted widespread attention in the past decade. One of the milestones in the field has been the coherent manipulation of the single nitrogen-vacancy (NV) defect spin in diamond. However, inherent difficulties in growing and controlling the lattice of C diamond pose severe limitations to the use of the NV center for scalable quantum technologies. In close collaboration with experiments, we are searching for analogs to this defect in diverse materials platforms that are technologically important and mature. We proposed several design schemes to realize NV-analogs in carbides and nitrides, including large-metal ion vacancy complexes and strain-driven formation of spin triplet. Most recently, we are exploring completely new materials paradigms for solid-state qubits, including 2-dimensional van der Waals materials.

현재 다이아몬드가 큐비트 호스트로서 매우 중요한 역할을 하고 있지만, 그와 동시에 다이아몬드 재료는 성장과 제어가 까다로워, 대규모로 확장하는 데는 한계가 있을 수 있습니다. 그래서 저희 연구실은 다이아몬드를 넘어 더 다양한 재료에서 새로운 큐비트 소자를 만들 수 있는 방법 역시 찾아 나가고 있습니다.

이러한 관점에서 저희 연구실의 연구는 크게 세 가지 방향으로 진행됩니다.

1. 새로운 반도체 기반 큐비트 탐구: 탄화물이나 질화물과 같은 널리 쓰이는 반도체에서 NV 센터와 비슷한 역할을 하는 양자 결함을 찾고 설계합니다. 이렇게 하면 기존 반도체 기술과 연결되어 실제 구현 가능성이 더 높아집니다.

2. 2차원(2D) 물질에서의 새로운 점결함 큐비트: h-BN처럼 얇은 2차원 물질은 원자 단위에서 제어가 가능하고, 전기적·광학적 특성이 뛰어납니다. 저희는 이런 물질에서 완전히 새로운 큐비트 플랫폼을 개척하고 있습니다.

3. 이론과 실험의 협력: 첨단 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 양자 결함의 전자 구조와 스핀 특성을 예측하고, 이를 실험 연구자들과 협력해 실제 물질에서 구현하는 연구를 수행합니다. 이 과정을 통해 이론에서 현실로 이어지는 가교 역할을 하고 있습니다.

저희의 최종 목표는 다양한 반도체 소재에서 구현 가능한, 확장성 있는 큐비트를 찾아내고 설계하는 것입니다. 이를 통해 앞으로 양자 컴퓨터, 초정밀 센서, 차세대 통신 기술에 필요한 기반을 마련하고, 학문적 발견과 기술 혁신을 동시에 이루어 나가고자 합니다.

3. Quantum coherence and entanglement

Long coherence times are key to the performance of quantum bits (qubits). In quantum computing, long spin coherence times are necessary for executing quantum algorithms with many gates. Qubits with robust coherence are also ideal systems for developing applications such as collective quantum memories and ultra-sensitive quantum sensors. Using a cluster correlation expansion method, we theoretically predict and understand the quantum decoherence dynamics of a spin qubit in a solid from first-principles. As an example of some of our recent exciting results, we showed that the Hahn-echo coherence time (T2) of electron spins associated with divacancy defects in 4H-SiC reaches 1.3 ms, one of the longest T2 times of an electron spin in a naturally isotopic crystal. Using a first-principles microscopic quantum-bath model, we identified key factors determining the unusually robust coherence. Our results point to polyatomic crystals as promising hosts for coherent qubits in the solid state. More recently, we are investigating the quantum decoherence in diverse heterogeneous and anisotropic materials environments, which were unexplored before in physics. 

저희 연구실은 큐비트 소자가 얼마나 오래 결맞은 상태를 유지할 수 있는지(긴 coherence time)를 깊이 탐구합니다. 큐비트가 오래 안정적으로 유지될수록 더 복잡한 양자 알고리즘을 실행할 수 있고, 초정밀 센서나 집단적 양자 메모리 같은 새로운 응용 기술에도 활용할 수 있습니다.

저희는 첨단 양자 다체계 시뮬레이션 기법을 이용해 고체 속에서 큐비트가 어떤 환경에서 얼마나 오랫동안 안정적으로 존재할 수 있는지를 계산하고 예측합니다. 예를 들어, 최근 연구에서는 실리콘 카바이드(4H-SiC)의 특정 결함(divacancy)이 전자 스핀의 결맞음 시간을 1.3ms까지 유지시킨다는 결과를 얻었습니다. 이는 자연 상태의 결정에서 보고된 전자 스핀 결맞음 시간 중 세계적으로 가장 긴 수준에 해당합니다.

이 연구를 통해 어떤 물질 구조와 환경이 큐비트를 더 오래 안정적으로 유지시킬 수 있는지 중요한 단서를 얻었고, 특히 다원자 구조를 가진 결정이 차세대 큐비트의 이상적인 플랫폼이 될 수 있음을 제시했습니다. 현재는 더 나아가, 지금까지 거의 연구되지 않았던 이질적이고 비등방적인(방향에 따라 성질이 달라지는) 물질 환경, 그리고 현실적인 물질의 결함 환경에서의 양자 결잃음 현상까지 탐구하며 연구의 지평을 넓혀가고 있습니다.