좋은 큐비트(양자비트)의 조건에는 대표적으로 효율적인 조작과 ‘결맞음(coherence)’이 있다. 결맞음은 큐비트(양자비트)들이 상호작용을 하는 와중에도 주요 양자현상인 얽힘과 중첩을 유지하는 능력이다. 즉, 큐비트 조작이 용이하면서도 작동 가능한 상태가 오래 유지되어야 한다는 의미다. 문제는 두 조건이 서로 충돌되는 경우가 많다는 것이다.

기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단은 양자컴퓨터의 품질과 직결되는 두 조건을 모두 충족하는 새로운 원소를 찾아내고, 그 연구결과를 7월 20일 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communication)’에 발표했다.

어븀(Er)을 비롯한 란타나이드(주기율표에서 원자번호 57~71번 원소) 원자들은 긴 결맞음 시간을 가진 동시에 전자스핀 판독이 쉬워 유망한 양자 소재로 각광 받아왔다. 그러나 전기적 방법을 이용해 란타나이드 원자의 양자 상태를 제어한 연구는 없었다.

▲ 티타늄과 어븀 원자를 결합한 구조의 STM 이미지.

IBS 연구진은 전기적 방법을 이용해 란타나이드 원자의 전자 스핀을 제어하고 검출하는 데 처음으로 성공했다. 우선, 연구진은 원자를 하나씩 관찰하고 조작할 수 있는 주사터널링현미경(STM)을 이용해 어븀 원자와 티타늄 원자를 결합했다. 이를 통해 어븀 원자의 전자스핀을 정밀하게 제어할 수 있었다. 이렇게 제어한 어븀 원자의 스핀 상태는 티타늄 같은 전이금속 원자보다 약 5배 긴 1마이크로초에 달했다. 양자컴퓨팅 등 양자 논리 단위를 구축하는 데 있어 란타나이드 원자를 적용할 수 있음을 보여준 셈이다.

연구를 주도한 스테파노 레알레 IBS 양자나노과학 연구단 연구원(박사과정)은 “어븀 원자의 양자 논리 연산 잠재력은 이미 알려져 있었지만, 순수 전기적 방법으로 결맞음 제어를 달성하는 것은 큰 도전이었다”며 “양자 컴퓨터와 초고밀도 데이터 저장 등 분야에서 란타나이드 원자를 활용할 수 있는 가능성을 연 것으로 향후 양자 상태 조작과 결맞음 유지 사이의 균형을 더욱 최적화하는 방법을 탐구할 계획”이라고 말했다.