Research Overview

양자물질 계산이론 연구실 (Computational Quantum Material Lab)은 차세대 양자 정보 기술을 선도할 새로운 물질 및 소자의 설계와 특성 규명을 목표로 계산물리 기반 연구를 수행합니다. 저희 연구의 핵심은 다양한 계산물리 방법론을 구현한 프로그램을 개발 및 응용하여 양자 정보 하드웨어의 특성을 정밀하게 예측하는 것입니다. 이를 위해, 저희는 밀도범함수 이론 (DFT) 및 양자다체계 이론 (Quantum Many-Body Theory)과 같은 제1원리 계산 기법을 바탕으로 고성능 계산 코드를 개발하고 최적화하는 데 중점을 둡니다. 개발된 코드를 활용하여 고체 기반 스핀 큐비트 (Solid-state based spin qubit), 이온 트랩 (Trapped ions), 초전도체 큐비트 (Superconducting qubits), 단일 광자 방출기 (Single-photon emitters) 등 핵심 양자 소자 시스템에서 나타나는 복잡한 양자 현상을 이론적으로 예측하고 그 근본 원리를 규명합니다. 궁극적으로, 이러한 계산적 통찰력을 바탕으로 실험 연구팀에게 실질적인 물질 합성 및 소자 제작의 방향을 제시함으로써 양자 기술 혁신에 기여하는 것을 목표로 합니다.

The Computational Quantum Material Lab conducts computational physics research to design and characterize materials and devices for next-generation quantum information technology. Our core mission is to develop and apply programs based on various computational physics methodologies to precisely predict the properties of quantum information materials and devices. We focus on developing and optimizing high-performance computing (HPC) codes using first-principles calculation techniques, including Density Functional Theory (DFT) and Quantum Many-Body Theory. We apply these codes to theoretically predict and understand complex quantum phenomena in critical quantum device systems: solid-state spin qubits, trapped ions, superconducting qubits, and single-photon emitters.Ultimately, our computational insights guide experimental teams in material synthesis and device fabrication, aiming to advance quantum technology innovation.

Background

Quantum Hardwares

양자 컴퓨터를 구현하는 데 사용되는 물리적 기반 기술은 다양합니다. 각 플랫폼은 큐비트를 구현하는 방식과 양자 연산을 수행하는 메커니즘이 다르며, 고유의 장단점을 가집니다. 우리 연구실에서는 고체 기반 스핀 큐비트, 단일 광자 방출기, 초전도 회로, 이온 트랩의 네 가지 주요 양자 하드웨어 플랫폼을 다루고 있습니다.

Quantum computing is realized using diverse physical technologies. Each platform implements qubits and performs quantum operations differently, carrying unique pros and cons. Our lab studies four major quantum hardware platforms: solid-state spin qubits, single-photon emitters, superconducting circuits, and trapped ions.

Solid-state based spin qubit

다이아몬드, 실리콘, 2차원 물질 같은 고체 재료 내의 결함(Defects)이나 반도체 양자점(Quantum Dots)에 포획된 단일 전자의 스핀을 이용합니다.

Uses the spin of a single electron trapped within defects (like NV centers in diamond) or semiconductor quantum dots in solid-state materials such as silicon or 2D materials.

Single-photon emitter

광자(Photon) 자체의 편광이나 위상을 큐비트로 사용합니다. 단일 광자 방출기는 광자 큐비트를 생성하는 역할을 합니다.

Uses the polarization or phase of the photon itself as the qubit. The single-photon emitter acts as the source generating these photonic qubits.

Superconducting circuit

조셉슨 접합을 포함하는 초전도 회로를 사용하여 매크로스케일의 전기적 특성을 양자화하고, 이 두 에너지 준위를 큐비트로 사용합니다.

Uses superconducting circuits containing Josephson Junctions to quantize macroscopic electrical properties, utilizing two energy levels as the qubit.

Image credit: I. Siddiqi, Nat. Rev. Mater. (2021)

Trapped ions

레이저를 사용하여 진공 환경에 포획된 개별 원자 이온의 에너지 준위 또는 초미세 구조를 큐비트로 사용합니다.

Uses the energy levels or hyperfine structure of individual atomic ions trapped in a vacuum environment using lasers.

Image credit: K.R. Brown et al., Nat. Rev. Mater. (2021)

Computational methods

저희 연구실은 양자 정보 물질 및 소자의 특성을 예측하기 위해 다양한 제1원리 계산 (First-Principles Calculation) 방법론을 개발하고 응용합니다. 핵심적으로는 물질의 전자구조를 다루는 범밀도함수 이론 (DFT)과 나노 스케일 환경에서의 qubit decoherence 및 양자 동역학을 다루는 양자다체계 이론 (Quantum Many-Body Theory)에 중점을 둡니다.

Our lab develops and applies various first-principles calculation methodologies to predict the properties of quantum information materials and devices. We primarily focus on density functional theory (DFT) for describing material properties and quantum many-body theory for addressing decoherence and quantum dynamics of multiple qubits in materials environments.

Density Functional Theory (DFT)

Quantum Many-Body Theory

Image credit: V. Ivády, et al, Phys. Rev. B 90, 235205 (2014); J.P. Tetienne, et al, New J. Phys. 14, 103033 (2012)

Image credit: C. Schreyvogel, et al, Sci. Rep. 5, 12160 (2015); Y. Jin, et al, Phys. Rev. Mater. 5, 084603 (2021)

Image credit: M. Onizhuk & G. Galli, Rev. Mod. Phys. 97, 021001 (2025);
G. Wolfowicz, et al., Nat Rev Mater 6, 906–925 (2021)

Density Functional Theory는 물질의 복잡한 다전자 문제를 전자 밀도라는 단일변수로 환원하여 푸는 제1원리 방법론입니다. 특히 물질의 결정 구조 최적화, 기저 상태 에너지, 전자 밴드 구조, 격자 진동 모드 등 기저 상태의 기본 특성을 예측하는 데 사용됩니다.

A first-principles calculation method that solves the complex many-electron problem of a material by reducing it to a single variable: the electron density. Used to predict fundamental properties of the ground state, such as crystal structure optimization, ground state energy, electronic band structure, and lattice vibrational modes.

Quantum Many-Body Theory는 양자 정보 소자의 성능을 저해하는 결잃음 현상을 양자 동역학적 관점에서 분석하기 위한 이론 틀입니다. 이는 나노 규모 시스템에서 큐비트와 주변 스핀 환경간의 다체 상호작용을 정밀하게 기술합니다.

A theoretical framework for analyzing decoherence phenomena, which impair the performance of quantum information devices, from a quantum dynamical perspective. It aims to precisely describe the many-body interactions between the qubit and its surrounding spin environment in nanoscale systems.

Reserach area

Diamond for quantum networks and quantum sensing

다이아몬드 기반 양자 네트워크 및 양자 센싱

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.

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.
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.
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.

Quantum Information Materials and Devices

양자정보 물질 및 소자

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.

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.
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.
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.

Quantum coherence and entanglement

양자 결맞음 및 양자 얽힘

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.

Page updated

Google Sites

Report abuse