실온에서 작동하는 양자컴퓨터 소재 발견됐다

원자력연, 양자스핀액상물질 실험적 입증
상온 양자컴퓨터 소자로 활용 기대

사진 2. (a) 스피논 준입자와 외부 전자기파의 상호작용모식도 (b) TbInO3물질의 삼각 격자 구조

양자 오류를 대폭 줄인 양자컴퓨터에 쓸 수 있는 소재 후보물질이 개발됐다. 양자컴퓨팅과 양자센서 소자 설계 등에 활용될 전망이다.

한국원자력연구원은 김재욱 박사 연구팀이 국제 공동연구를 통해 터븀인듐산화물이 양자컴퓨터 소자 등에 활용할 수 있는 양자스핀액상(QSL) 물질이 될 수 있음을 실험적으로 입증했다고 23일 밝혔다.

양자컴퓨터는 양자역학의 고유 특성인 중첩과 얽힘을 이용해 한 번에 많은 정보를 처리할 수 있다. 하지만 양자역학적 중첩과 얽힘 현상은 온도 변화, 불순물, 외부 전자기장 등 미세한 자극에도 다양한 오류가 생길 수 있어 구현하기 어렵다. 또한 양자를 안정적 상태로 만들려면 절대 0도(-273.15도)에 가까운 극저온 환경을 구현해야 하는 등 조건이 까다롭다.

현재 양자오류를 해결할 수 있는 후보 소재 개발을 위한 다양한 연구가 이뤄지고 있는데, QSL이 후보 소재로 주목받고 있다. QSL은 새로운 자기 상태의 물질로, 양자 요동에 의한 대규모 양자 얽힘이 가능하다.

2010년대부터 MIT 등 연구그룹에서 이론상으로 QSL은 양자얽힘으로 발생하는 스피논(spinon)이라는 준입자가 빛과 상호작용하며, 스피논에 의해 광학전도도가 빛의 주파수 제곱에 비례할 것이라고 예측했다. 즉, 어떤 물질에서 광학전도도가 빛의 주파수 제곱에 비례하는 특성을 발견한다면, 이는 곧 그 물질이 QSL이 될 수 있음을 말해준다. 그동안 수많은 QSL 후보물질들은 불순물과 무질서한 물질 구성 등으로 광학전도도-주파수 제곱 비례 현상을 실험적으로 확인할 수 없었다. 연구팀은 특정 영역에서 광학전도도가 정확히 주파수 제곱에 비례함을 실험적으로 입증하는 데 성공했다. 특히 영상 27도 수준의 실온에서도 광학전도도 비례현상을 확인했는데, 이는 터븀인듐산화물이 상온에서도 QSL 특성을 구현할 수 있음을 보여준다.

김재욱 원자력연 박사는 "이번 연구결과는 QSL 물질의 오래된 이론적 예측을 실험적으로 검증한 첫 사례"라며 "앞으로 터븀인듐산화물이 무오류 양자컴퓨터의 소자로 활용될 수 있는지에 대한 연구를 진행할 계획"이라고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 '네이처 피직스(지난달 17일)' 온라인에 실렸다. 이준기기자