기존 양자컴퓨터와 설계 방식이 다른 새로운 양자컴퓨터가 등장할 전망이다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 안드레아스 하인리히 양자나노과학 연구단장(이화여대 석좌교수) 연구팀은 일본, 스페인, 미국 연구팀과의 국제 공동연구를 통해 고체 표면 위 단일 원자의 전자스핀¹⁾을 이용하는 새로운 양자 플랫폼을 제시하고, 세 개의 전자스핀으로 ‘복수 큐비트(양자비트)’ 시스템까지 구현하는 데 성공했다.

컴퓨터의 정보 저장 및 연산 기본 단위인 비트는 0 또는 1의 값을 가진다. 이와 달리 양자컴퓨터는 큐비트가 기본 단위로 0과 1의 중첩 상태로 연산을 수행할 수 있어, 정보 저장량과 연산 속도 등 성능이 기존 컴퓨터보다 월등히 높다²⁾.

양자컴퓨터의 상용화를 위해 지금까지 초전도접합, 이온트랩, 양자점, 양자위상상태 등을 이용한 다양한 큐비트가 제시됐다. 하지만 양자정보과학 분야의 역사가 짧은 만큼, 어떤 종류의 큐비트가 최선일지 현재로서는 답을 내리기 어렵다. 큐비트의 집적도와 신뢰도를 높이는 공학적 연구와 함께 기존 큐비트의 약점을 보완할 새로운 양자 플랫폼을 구현하는 기초과학 연구가 필요한 상황이다.

고체 표면 위 단일 원자의 양자적 특성 분야 연구를 선도해 온 IBS 양자나노과학 연구단은 자체 개발한 최첨단 장비(ESR-STM)³⁾를 이용해 올해 5월 단일 원자의 전자스핀을 제어하고, 큐비트로 활용할 수 있음을 보였다(NPJ Quantum Information). 또 다른 선행 연구에서는 탐침과 직접 상호작용하는 원자가 아닌 멀리 떨어진 원자의 스핀 상태를 ‘원격제어’하는 방법을 제시했다(Advanced Science, ACS Nano). 이번 연구에서는 원격제어 방식을 여러 큐비트 구조에 적용해 ‘복수 큐비트’ 시스템을 구현했다.

연구진이 제시한 큐비트 플랫폼은 얇은 절연체(산화마그네슘) 표면 위에 여러 개의 티타늄 원자들이 놓인 구조다. 연구진은 먼저 주사터널링현미경(STM)의 탐침을 이용해 각 원자의 위치를 정확하게 조작해서 여러 원자 스핀들이 상호작용할 수 있는 복수 티타늄 원자 구조를 만들었다. 이후 센서 역할을 할 티타늄 원자(센서 큐비트)에 탐침을 두고 원격제어 방식을 적용해 센서 및 원거리에 놓인 여러 큐비트(원격큐비트)들을 단 하나의 탐침으로 동시에 제어‧측정하는 데 성공했다.

각 원격큐비트는 센서큐비트와 상호 작용하기 때문에 원격큐비트의 스핀 상태가 바뀌면 센서 큐비트에 영향을 주고, 이 변화는 탐침을 통해 읽힌다. 이어 연구진은 이 큐비트 플랫폼을 이용해 양자정보처리에서 핵심적인 기본 연산인 ‘CNOT’와 ‘Toffoli’ 게이트를 구현했다. 연구는 0.4K(-272.75℃)의 온도에서 수행됐다.

공동 교신저자인 박수현 연구위원은 “원격으로 원자를 조작하면서 여러 개의 큐비트를 동시에 제어할 수 있다는 것은 정말 놀라운 일”이라며 “이전까지는 표면에서 단일 큐비트만 제어할 수 있었던 반면, 이번 연구를 통해 원자 단위에서 복수 큐비트 시스템을 구현하는 큰 도약을 이뤘다”고 말했다.

이번에 제시된 플랫폼은 큐비트 간 정보 교환을 원자 단위에서 정밀하게 제어할 수 있다는 장점이 있다. 또한 개별 큐비트의 크기가 1nm 이하인 즉, 가장 작은 크기의 큐비트를 이용해 양자집적회로를 구현할 수 있다는 점에서 기존 큐비트 플랫폼과 차별화된다. 또한 초전도체 등 특정 재료를 사용해야 하는 다른 플랫폼(초전도접합 큐비트)과 달리 다양한 원자를 큐비트의 재료로 선택할 수 있다

공동 교신저자인 배유정 연구위원은 “전자스핀 큐비트 플랫폼을 수십, 수백 큐비트까지 확장할 수 있음을 확인했다”며 “한국이 세계를 선도하는 새로운 플랫폼을 만들어 양자정보과학의 새 시대를 열고, 혁신을 견인할 수 있다는 가능성을 보여줬다”고 말했다.

연구 성과는 세계 최고 권위의 학술지인 ‘사이언스(Science)’에 10월 6일(한국시간) 게재되었다.

그림 설명

[그림 1] 단일 원자 전자 스핀 큐비트의 3차원 모식도
세 큐비트는 모두 산화마그네슘 표면 위 티타늄 원자들이며 STM 탐침 아래 위치한 하나의 센서 큐비트와 탐침과 떨어진 두 개의 원거리 큐비트들로 구성된다. STM 탐침을 이용한 원자 위치 조작을 통해 세 큐비트 간의 상호작용을 정밀하게 설계한다. 센서 큐비트의 양자상태는 자화된 탐침이 만드는 불균일한 자기장과 결합한 탐침-기판 간 고주파 전압으로 제어하고, 각 철 원자는 탐침을 대신해서 주위 원거리 큐비트의 양자상태를 제어하는데 필요한 불균일한 자기장을 제공한다.

[그림 2] 큐비트 소자의 종류별 특징
양자컴퓨터의 상용화를 위해 지금까지 초전도양자접합, 이온트랩, 양자점, 양자위상상태 등을 이용한 다양한 큐비트가 제시됐다. IBS 양자나노과학 연구단은 기존과 설계 방식이 다른 새로운 양자 플랫폼인 ‘단일 원자 전자스핀 큐비트 플랫폼’을 구현했다.

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IBS 홍보팀
권예슬

1) 전자의 자전으로 인해 생기는 각운동량 단위로 일종의 회전하는 작은 막대자석으로 비유할 수 있다. 양자컴퓨터 시스템에서 정보는 위(↑)나 아래(↓)로 나타나는 전자의 스핀에 인코딩된다.

2) 양자컴퓨터는 슈퍼컴퓨터보다도 성능이 우수하다. 일례로, 구글은 슈퍼컴퓨터로 1만 년 걸릴 계산을 구글의 양자컴퓨터 ‘시카모어’로 200초 만에 했다고 발표했다. 중국과학기술대학교는 슈퍼컴퓨터로 25억 년 걸릴 문제를 양자컴퓨터로 200초 만에 풀었다고 발표하기도 했다.

3) 뾰족한 탐침으로 표면 위 원자를 조작하고 특성을 관측하는 주사터널링현미경(STM)과 스핀의 방향을 제어하는 과정에서 흡수/방출하는 에너지로 원자 자기 상태를 연구하는 전자스핀공명(ESR) 기술을 결합한 실험 방법이다.