한국 연구진이 기존 양자컴퓨터와 설계 방식이 다른 새로운 양자컴퓨터 플랫폼을 처음 개발했다.

고체 표면 위 단일 원자 전자스핀을 이용하는 방식으로 지금까지 나온 양자비트(큐비트) 중 가장 작아, 작은 공간에 집적회로를 구성하는 등 다양한 장점을 가져 양자컴퓨터의 새로운 가능성을 열었다는 평가다.

6일 기초과학연구원(IBS)은 안드레아스 하인리히 양자나노과학 연구단장(이화여대 석좌교수) 연구팀이 국제공동연구를 통해 세 개의 전자스핀으로 여러 개의 큐비트 시스템을 구현하는 데 성공한 연구 결과를 국제학술지 '사이언스'에 게재했다고 밝혔다.

단일 원자 전자스핀 큐비트의 3차원 개념도.

양자컴퓨터는 0과 1의 중첩 상태를 가질 수 있는 '큐비트'를 정보 저장과 연산 단위로 쓰는 컴퓨터로 특정 문제에서 기존 컴퓨터보다 월등히 높은 성능을 보인다.

양자컴퓨터 상용화를 위해 지금까지 초전도 접합, 이온트랩, 양자점, 양자 위상 상태 등을 이용한 다양한 큐비트가 개발되고 있으며, 어떤 큐비트가 최선일지를 놓고 각 연구팀이 경쟁 중인 상황이다.

앞서 연구팀은 뾰족한 탐침으로 표면 위 원자를 조작하고 특성을 관측하는 연구 장비인 '주사 터널링 현미경(STM)'에 스핀 방향을 제어하는 전자스핀공명(ESR) 기술을 적용한 장비로 단일 원자의 전자스핀을 제어해 큐비트로 활용할 수 있음을 증명했다.

스핀은 원자핵 또는 전자의 자전으로 인한 각운동량 단위로 자기적 성질에 영향을 주며, 정밀한 제어가 가능하면 정보 저장 단위로 활용할 수 있게 된다.

연구팀은 또 탐침과 상호작용하는 원자가 아닌 멀리 떨어진 원자의 스핀 상태를 원격제어 하는 기술도 개발했다.

이번 연구에서는 이들 방식을 여러 큐비트에 적용해 양자컴퓨터 시스템의 기본이 되는 '복수 큐비트' 시스템을 구현한 것이라고 연구팀은 설명했다.

연구팀이 만든 큐비트 플랫폼은 얇은 산화마그네슘 절연체 표면에 여러 개의 티타늄 원자를 놓은 구조로, 절대영도에 가까운 영하 272.75도에서 만들어졌다.

STM을 이용해 티타늄 원자의 위치를 옮겨 여러 원자 스핀이 상호작용할 수 있는 구조를 만드는 방식이다.

이후 센서 역할을 하는 티타늄 원자에 탐침을 두고 원격제어 방식으로 센서와 원거리에 놓인 여러 큐비트를 하나의 탐침으로 동시에 제어하고 측정하는 기술을 개발했다.

이러면 원격 큐비트들이 센서 큐비트와 상호작용하면서 원격 큐비트의 스핀 상태가 바뀌면 센서 큐비트에 영향을 주고, 이 변화를 탐침을 통해 읽을 수 있게 된다.

연구팀은 이 큐비트 플랫폼을 이용해 양자정보처리의 기본 연산인 'CNOT'와 '토폴리(Toffoli)' 게이트를 구현했다.

CNOT는 첫 큐비트 상태가 다른 큐비트 상태에 영향을 주는 얽힘 상태를 관찰할 수 있는 연산이고, 토폴리는 여러 큐비트의 얽힘을 볼 수 있다.

이번에 개발한 방식은 최대 5~6큐비트를 연결하고 운용할 수 있으며 향후 핵스핀 등을 활용해 여러 큐빗을 동시에 제어할 수 있는 플랫폼으로 발전시키는 연구를 진행할 예정이라고 연구팀은 덧붙였다.

공동 교신저자인 박수현 IBS 연구위원은 "IBM의 경우 양자컴퓨터에서 5개 큐비트를 활용할 수 있도록 외부에 공개하는데, 5개 정도면 간단한 양자 알고리즘을 짜서 큐비트 양자 시스템이 제대로 작동하는지를 검증할 수 있다"며 연구팀의 다음 목표 중 하나도 이런 검증 연구라고 설명했다.