전자스핀 활용한 새로운 양자컴퓨터 기술 등장... 상용화 앞당길까

IBS 양자나노과학연구단 '사이언스' 발표 
양자컴 계산 기본 단위 큐비트 원격 제어
실제 정보처리에 쓰려면 후속 연구 필수

단일 원자 전자스핀 큐비트 3차원 모식도. 탐침으로 센서 큐피트를 제어하면 멀리 떨어진 2개의 큐비트도 원격 제어되는 방식이다. 기초과학연구원 제공

국내 연구진이 단일 원자의 '전자스핀'을 이용해 양자컴퓨터를 만들 수 있는 새로운 가능성을 확인했다. 컴퓨터의 한계를 뛰어넘을 신기술로 기대를 모으고 있는 양자컴퓨터는 기술을 구현하기 위한 다양한 방식의 플랫폼이 상용화를 전제로 경합을 하는 중이다. 양자컴퓨터 연구의 역사가 길지 않은 만큼 어떤 플랫폼이 최선인지 정해지지 않았다. 이번 연구가 상용화를 앞당길 수 있을지 주목된다.

6일 기초과학연구원(IBS)은 양자나노과학연구단이 고체 표면에 있는 단일 원자의 전자스핀(전자가 자전하면서 생기는 운동량)을 이용하는 새로운 양자컴퓨터 플랫폼 방식을 개발했다고 밝혔다. 연구단은 세 개의 전자스핀을 이용해 양자컴퓨터 계산의 기본 단위인 큐비트 여러 개를 원격으로 제어하는 데 성공했다.

현재까지 양자컴퓨터를 상용화하기 위해 초전도, 이온트랩, 양자점, 양자위상상태 등을 활용해 큐비트를 만드는 방식이 제시돼 왔다. 각각 장단점이 있어, 아직 어느 방식도 상용화에 성공하지 못하고 있다.

양자컴퓨터 계산의 기본 단위인 큐비트를 만드는 여러 가지 방식들. 기초과학연구원 제공

연구단은 얇은 절연체 표면 위에 여러 개의 티타늄 원자들을 올려 놓은 뒤 각 원자의 위치를 정확하게 조작해 전자스핀들이 상호작용 할 수 있는 구조를 만든 다음, 원거리에 놓여 있는 여러 큐비트들을 동시에 제어하는 기술을 개발했다. 이 방식의 전자스핀 플랫폼은 큐비트 간 정보 교환을 원자 단위에서 정밀하게 제어할 수 있다는 특성을 갖는다. 크기가 1nm(나노미터·10억분의 1m) 이하인 작은 큐비트로 양자집적회로를 구현할 수 있고, 초전도체 등의 특정 재료가 아닌 다양한 원자를 큐비트의 재료로 선택할 수 있다는 점도 다른 플랫폼들과의 차별점이다.

연구를 주도한 박수현 IBS 양자나노과학연구단 연구위원은 "양자정보기술이나 양자컴퓨팅을 위해서는 많은 수의 큐비트를 동시에 읽고 쓸 수 있는 기술이 필요한데, 이번 연구로 매우 멀리 떨어진 큐비트들도 읽고 쓰는 방법을 고안했다"고 설명했다.

다만 이 기술을 실제 양자 정보처리나 양자컴퓨터 상용화에 응용하기 위해서는 후속 연구가 필수다. 현재 연구단이 개발한 방식으로는 최대 5, 6개의 큐비트를 연결하고 운용할 수 있는데, 10개 큐비트 이상을 동시에 제어할 수 있는 플랫폼으로 발전시켜야 한다고 연구진은 설명했다.

일본·스페인·미국과 공동 연구로 얻은 이번 성과는 이날 미국 국제학술지 '사이언스'에 소개됐다.

이현주 기자 memory@hankookilbo.com