[랩큐멘터리]절대0도 가까운 분자로 양자컴퓨터 지평 연다

포스텍 극저온 양자기체 연구실

양자컴퓨터는 원자, 분자, 전자, 광자 등의 물질을 제어해 정보를 ‘큐비트’라는 정보 단위에 저장하는 컴퓨터다. 현재 큐비트를 만들고 제어하는 방식을 두고 이온트랩, 초전도회로, 중성원자 등의 여러 플랫폼이 각축전을 벌이고 있다. 지금도 전 세계 연구진들은 큐비트 간 논리연산을 효율적으로 구현하면서 큐비트의 수를 확장하기 수월해야 한다는 조건까지 만족하는 더욱 완벽한 큐비트를 개발하기 위해 노력하고 있다.

박지우 포스텍 물리학과 교수가 이끌고 있는 극저온 양자기체 연구실도 이런 요건을 만족할 새로운 큐비트의 개발에 도전하고 있다. 박 교수는 “입자들간 장거리 상호작용을 활용하면 효율적인 양자정보의 연산이 가능할 것”이라며 “쌍극성 분자를 활용해 이를 달성하는 방안을 개발하고 있다”고 말했다.

박지우 포스텍 물리학과 교수

쌍극성분자는 한 분자 내에서 양극과 음극의 특성이 모두 나타나는 분자다. 가령 물 분자 내에서 전자가 전기음성도가 큰 산소원자 쪽으로 치우쳐지면서 산소원자쪽은 음극이 수소원자쪽은 양극이 형성된다. 

쌍극성분자 기반 큐비트의 강점은 ‘디빈첸조 요건’ 요건을 고르게 충족시킬 가능성이 있다는 것이다. 디벤첸조 요건은 큐비트 수 확장의 용이성, 정보 저장의 안정성, 정보처리의 용이성 등 큐비트로써 갖춰야 할 조건들을 일컫는다.

박 교수는 “쌍극성분자 기반의 큐비트는 디빈첸조 요건 중 한쪽 능력치가 다른 플랫폼들보다 월등하지 않더라도, 모든 능력치들이 고르게 좋을 가능성이 있다는 것 가장 큰 장점”이라며 "쌍극성 분자 기반 컴퓨팅 플랫폼이 개발된다면 좋은 경쟁력을 가질 수 있을 것이라 기대한다"고 말했다.

이런 가능성 덕분에 박 교수팀의 극저온 쌍극성 분자를 이용한 양자컴퓨팅 기술은 2020년에 삼성미래기술육성사언 선정과제로 꼽히기도 했다.

박 교수팀은 이외에도 절대 영도에 매우 가까운 수준으로 냉각된 원자와 분자를 활용한 여러 연구를 수행하고 있다. 특히 전통적인 고체 물리 이론과 실험으로는 접근하기 어려운 여러 난제를 해결하기 위해 극저온 원자기체를 활용한 ‘양자 시뮬레이션’ 연구를 주요하게 다루고 있다.

극저온 양자기체 연구실은 큐비트의 장거리 상호작용에 도전할 뿐만 아니라 절대 영도에 매우 가까운 수준으로 냉각된 원자와 분자를 활용한 여러 연구를 수행하고 있다.

박 교수는 “마치 극저온 분자들이 물질 속 전자들의 역할을 수행하도록 만들어 고온 초전도체 등 여러 환경에서 전자들이 어떻게 행동하는지 직접 관측하고 싶다”고 말했다.

박 교수팀은 극저온 기체를 생성하고 해당 연구를 수행하기 위해 대기의 밀도보다 1013배 낮은 초고진공 환경 챔버를 연구실에 구축해 원자들을 냉각하는 실험을 수행하고 있다. 박 교수는 “실험을 구축하는 과정이 어려울 수 있으나, 그 과정에서 최전선의 광학·제어기술을 배우고 양자역학을 피부로 느낄 수 있어 매력이 있는 연구 분야라고 생각한다”고 말했다.

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[서동준 기자 bios@donga.com]