미래 통신 '양자 네트워크' 구현할 '초전도 나노소자' 개발

표준연, 니오븀 기반 양자상태 제어 가능
절대온도 4K, 외부자기장 0.8T서 작동해

표준연이 개발한 니오븀 기반의 '초전도 나노소자'로, 다양한 양자 시스템 간 양자정보를 자유롭게 전송하는 양자 인터넷 구현에 활용될 것으로 기대된다. 표준연 제공

차진웅 표준연 선임연구원(왼쪽)과 서준호 책임연구원이 '니오븀 초전도 나노전기역학 소자 측정 시스템'을 시연하고 있다. 표준연 제공

국내 연구진이 서로 멀리 떨어진 양자시스템 간 원활한 통신 구현에 기여할 초전도 나노소자를 개발했다. 미래 인터넷으로 불리는 양자 인터넷 시대를 앞당기는 데 기여할 것으로 예상된다.

한국표준과학연구원은 차진웅·서진호 박사 연구팀이 양자통신에 활용할 수 있는 니오븀 기반 초전도 나노전기역학소자를 개발했다고 14일 밝혔다.

양자통신은 물질의 최소단위인 '양자'의 물리적 특징인 중첩, 얽힘, 불확정성을 정보처리나 통신에 활용한 것으로, 0과 1이 여러 개 조합된 복수의 비트를 하나의 큐비트 단위로 연산할 수 있어 정보처리 시간을 비약적으로 단축시킬 수 있다.

초전도체 기반 양자소자는 기가헤르츠 대역의 전자기파인 마이크로파를 이용해 양자 상태(초전도 큐비트)를 제어하거나 측정한다. 이런 양자 상태를 제어하려면 절대온도 0도(영하 273도)에 가까운 극저온에서 전기저항이 '0'이 되는 초전도체 소자가 필요하다.

니오븀은 온도와 자기장 등 주변 환경의 영향을 상대적으로 덜 받아 다양하게 활용할 수 있다. 하지만 강한 전기역학 상호작용을 만들기 위해 기판 전극으로부터 나노소자를 100나노미터 수준으로 띄워 유지해야 하는 데, 이를 구현하는 기술이 없는 상황이다.

나노 구조에서 분자 간 끌어당기는 힘이 강하기 때문에 이를 극복할 나노구조를 만들고, 내부 잔류응력을 제어하기 어렵기 때문이다.

연구팀은 니오븀의 기판 위에 증착 조건을 최적화해 잔류응력을 제어할 수 있는 니오븀 나노소자를 제작하는 데 성공했다. 이 소자는 절대온도 4K(영하 269도), 외부 자기장 0.8T(테슬라) 환경에서 사용할 수 있다. 이는 기존 알루미늄 소자의 작동 환경인 절대온도 1K(영하 272도), 외부 자기장 0.01T를 크게 뛰어넘는 수준이라고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 또 니오븀 나노소자를 이용해 기존 소자보다 마이크로파 투과율을 100배 이상 줄이는 데도 성공했다.

차진웅 표준연 책임연구원은 "니오븀 나노소자를 활용해 다양한 양자 정보 장치를 원격으로 연결하는 '마이크로파-광신호 변환장치'를 개발할 계획"이라며 "양자 네트워크를 위한 마이크로파-광파 변환장치, 양자컴퓨터용 소자, 고정밀 스핀감지 기술 등에 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

이준기기자 bongchu@dt.co.kr