과학자들이 최근 양자 컴퓨팅과 암 연구를 위한 혁신적인 큐비트를 생성법을 제시했다.

큐비트(Qubits)는 양자 컴퓨팅(quantum computing)에 사용되는 기본 정보 단위다. 큐비트를 생성하기 위해 일반적으로 과학자들은 레이저를 활용하거나 빛에서 단일 광자를 전단하는 부작용이 수반되는 어렵고 복잡한 과정을 겪어왔다.

양자컴퓨팅은 고전 컴퓨터 대비 이중 지수적 성장(double exponential rate)이 가능하다고 알려졌다. 그 핵심자원인 큐비트 얽힌 입자(Entangled particles)는 양자 암호통신(quantum cryptography) 위해 침해 불가능한 코드 생성에 활용된다. 관련 기술의 중요성으로 미국 정부는 국가 퀀텀 이니셔티브 법안(National Quantum Initiative Act, NQIA)을 제정, 향후 5년간 양자정보과학 개발을 위한 12억 달러를 승인했다.

MIT와 라이스대(University University) 연구팀은 빠르고 간편한 단일 광자 발생기를 만들었다. 일반 가정용 표백제 성분인 차아염소산나트륨(NaCIO)에 자외선을 비춰 탄소나노튜브(carbon nanotubes)에 형광 양자결함( fluorescent quantum defects)을 생성하는 과정이 포함된다. 형광 양자결함은 유기 컬러 센터(organic color centers)로도 알려졌다.

코흐 인스티튜트 (Koch Institute) 멤버인 안젤라 벨처(Angela Belcher) MIT 생명공학부장, 제임스 크래프트 (James Crafts)생명공학 교수, 칭웨이 린(Ching-Wei Lin) 박사의 연구는 최근 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 온라인으로 게재됐다.

단일 광자는 이러한 응용 분야에 필수적인 큐비트 소스가 될 수 있다. 실제 사용을 위해서는 단일 광자가 1,260-1,675나노미터 범위의 통신 파장에 있어야하고 장치는 실온에서 작동해야한다. 현재까지, 탄소 나노튜브에서 단일 광 양자 결함만이 두 특징을 동시에 보유한다. 이러한 단일 결함의 정확한 생성은 특수 반응물을 필요로 하거나, 제어하기 어렵거나, 느리거나, 비 발광성 결함을 생성하거나, 스케일링하기 어려운 제조 방법으로 제약이 있었다.

연구팀은 형광 양자 결함으로 알려진 단일 광자 방출을 탄소 나노튜브 기반 간단한 해결책을 설명했다. 린은“가정용 표백제와 빛을 사용해 1분 이내에 이러한 형광 양자 결함을 신속하게 합성 할 수 있다. 쉽게 대규모로 생산 가능하다”고 말했다.

벨처(Belcher) 연구실은 최소 비 형광 결함(non-fluorescent defects)을 생성하는 간단한 방법을 시연했다.

단일벽 탄소나노 튜브(single-walled carbon nanotubes, SWCNTs)를 표백제에 담근 후 1분 미만 자외선을 조사해 형광 양자 결함을 생성했다. 이 방법에서 형광 양자 결함의 가용성은 기초 연구를 실제 응용으로 변환하기 위한 장벽을 크게 줄였다.

이러한 형광 결함의 생성 후 나노튜브는 더욱 밝아진다. 또한, 이들 결함 탄소나노 튜브의 여기/방출은 소위 단파 적외선 영역(900-1,600nm)으로 이동되는데, 이는 통상적 근적외선보다 약간 더 긴 파장을 갖는 보이지 않는 영역이다.

더 밝은 결함 방출기를 가진 더 긴 파장에서의 작동은 연구원들이 광학 이미징을 위해 조직을 보다 명확하고 깊이 볼 수 있게 한다. 결과적으로, 결함 탄소 나노튜브 기반 광학 프로브(보통 표적물질을 이들 결함 탄소 나노튜브에 접합시킨다)는 이미징 성능을 크게 향상시켜 암 검출 향상 및 조기 검출 및 이미지 유도수술과 같은 치료를 가능하게 한다.

벨처는“우리는 이전 세대의 이미징 시스템에 비해 150배 적은 양의 프로브를 사용해 혈관 구조 및 림프계의 명확한 시각화를 보여주었다”고 말했다.

동시에 양자 물리학자들은 양자 컴퓨팅 연구를 위해 적절한 파장에서 분리된 단일(one-off) 광자를 만드는 데 들이는 상당한 양의 연구와 자원도 줄일 수 있게 됐다.

* 논문 : Creating fluorescent quantum defects in carbon nanotubes using hypochlorite and light