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꿈의 물질이라 불리는 육각형의 2차원 나노탄소물질 그래핀(Graphene)으로 양자컴퓨터의 핵심인 큐비트를 만들 수 없을까? 그래핀을 폭이 좁은 띠 모양으로 만든 것을 나노리본이라 부르는데, 최근 이를 이용하면 이온덫 방식의 연속된 양자 큐비트를 구현할 수 있다는 연구가 나왔다.
미국 캘리포니아대 버클리캠퍼스 물리학과 스티븐 루이 교수팀은 그래핀을 머리까락 두께의 1000만 분의 1인 약 5㎚(나노미터, 10억분의 1m) 이하로 구현한 두 개의 나노리본을 이용, 이온덫 방식의 양자 큐비트를 만드는 데 성공했다고 8일(현지시각) 학술지 ‘네이처’에 발표했다.
컴퓨터 속 디지털 정보는 0 또는 1로 구분돼 저장된다. 하지만 미래 양자컴퓨터에 들어갈 양자 정보, 즉 큐비트는 0또는 1 중 어느 하나로 확정되지 않은 정보다. 이를 큐비트가 가진 양자얽힘 상태라 하는데, 두 개 이상의 양자가 위상학적으로 완전히 똑같은 상태를 유지하는 것을 말한다. ‘얼마나 많은 큐비트를, 얼마나 오래 양자 얽힘 상태로 유지시킬 수 있는가’가 양자컴퓨터 연구의 출발점이다.
구글은 초전도체 방식으로, 미국의 양자컴퓨터 기업 이온큐는 이온 덫 방식을 이용해 큐비트를 개발 중이다. 초전도 방식은 초전도 회로의 마이크로파를 쏴, 그 속의 전자를 양자 얽힘 상태로 만들어 정보를 제어한다. 이온 덫은 원자 궤도를 도는 전자에 빛에너지를 전달해 전자가 가진 에너지 준위를 조절해 위상을 같게 구현하는 것이다.
연구팀은 주사 터널링 현미경과 분광학적 방법을 이용해 두 가닥의 그래핀 나노리본이 약 50~100개의 접합부를 형성하는 것을 발견했고, 각 접합부의 전자가 양자적으로 이웃한 전자들과 상호작용하는 것을 확인했다. 상호작용을 통해 전자들이 양자 얽힘 상태를 이루면서 큐비트가 형성된다는 것이다.
루이 교수는 “전자의 위상이 다른 두 가닥의 그래핀 나노리본을 사용한 것”이라며 “두 나노리본 사이에 거리에 따라 금속이나 반도체 뿐 아니라, 양자컴퓨터의 기본이 되는 연속된 큐비트의 특성이 나타났다”고 설명했다. 그는 이어 “이 같은 위상학적 특징을 보다 나은 양자컴퓨터용 큐비트 구현에 적용할 수 있을 것”이라고 말했다.