전압만으로 원하는 양자 상태 정밀 제어하는 원리 규명

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 기초과학연구원(IBS)은 양자나노과학 연구단과 독일 카를스루에공과대학교(KIT) 공동연구팀이 교환 상호작용을 이용해 자기장 대신 전압만으로 단일 분자의 큐비트를 정밀 제어하는 새로운 원리를 규명했다고 16일 밝혔다.

큐비트는 양자컴퓨터로 계산할 때의 기본 단위다. 양자컴퓨터는 원자나 분자처럼 매우 작은 입자를 큐비트 단위로 저장하고 계산하는데, 수많은 원자와 분자 중 원하는 대상만 정확하게 제어하기 어려워 성능을 좌우하는 핵심 기술로 꼽힌다.

연구진은 산화마그네슘 표면 위에 철 프탈로시아닌 철 프탈로시아닌(FePc) 단일 분자와 철 원자가 결합한 분자 복합체(Fe-FePc)를 제작한 뒤, 주사터널링현미경(STM)과 전자스핀공명(ESR) 기술을 결합한 장비로 개별 분자의 양자 스핀을 관측했다.

분석 결과, 주사터널링현미경의 바늘 끝인 탐침에 가하는 전압만 높여도 큐비트의 스핀 공명 주파수(양자 스핀이 특정 주파수의 자극을 가장 효율적으로 흡수해 상태가 변하는 고유한 주파수)가 크게 변하는 현상이 확인됐다.

특히 일정 전압 이상에서는 전압을 높일수록 스핀 공명 주파수가 비례해 증가하지 않고 특정 구간에서 급격히 변하는 비선형 스핀-전기 결합 현상이 나타났다. 이는 지금까지 보고된 분자 스핀의 전기적 제어 효과의 약 30배 수준의 변화를 기록했다.

연구진은 이 현상이 단순히 전기장이 분자를 움직여 나타나는 것이 아닌 탐침과 분자 사이의 교환 상호작용이 전압에 따라 달라지기 때문이라는 사실을 밝혀냈다.

전압이 증가하면 탐침과 분자 사이의 교환 상호작용이 강해지고, 이에 따라 큐비트의 스핀 에너지가 변하면서 공명 주파수도 함께 달라진다.

나아가 연구진은 두 개의 분자가 서로 결합한 구조에서도 탐침 아래에 있는 큐비트만 선택적으로 제어할 수 있음을 확인했다. 이는 여러 큐비트가 연결된 환경에서도 원하는 큐비트만 정밀하게 제어할 수 있음을 보여주는 결과다.

교신저자 IBS 크리스토프 울프 연구위원은 "이번 성과는 향후 다수의 큐비트를 집적한 분자 기반 양자소자 구현의 핵심 기술이 될 것"이라며 "차세대 양자컴퓨터와 양자 센서, 양자정보처리 기술 개발 등에 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다"고 말했다.

연구진은 이번 연구에서 구축한 이론과 제어 기술을 더욱 발전시켜 다양한 원자·분자 기반 양자 시스템으로 연구를 확장하는 등 차세대 원자 단위 양자기술 플랫폼 개발을 이어갈 예정이다.

이번 연구 결과는 국제학술지 네이처 피직스(Nature Physics)에 온라인 게재됐다.

jongseo12@news1.kr