양자정보 통신은 정보사회의 패러다임을 바꿀 신기술로 여겨진다. 양자컴퓨터는 얽힘이나 중첩 같은 양자역학적인 현상을 활용해 연산을 처리하는 컴퓨터인데, 한 번의 연산으로 여러 계산을 동시에 처리할 수 있다. 양자컴퓨팅을 구현하기 위해서는 입자 간의 양자 얽힘이 필요하다.

POSTECH 물리학과 이길호․이후종 교수․박사과정 박건형씨 연구팀은 양자얽힘*을 유도하기 위해 겹층그래핀을 육방정계질화붕소(hBN) 결정막으로 보호해 그래핀에서 무질서하게 산란되는 전자를 최소화했다.

또한, 겹층그래핀을 수직으로 쌓고, 이 두 개의 겹층그래핀 가장자리를 초전도물질로 연결한 양자얽힘 소자를 제작하는 데 성공했다. 이 연구성과는 미국화학회 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 최신호를 통해 발표됐다.

지금까지 양자얽힘을 유도하기 위해 여러 종류의 물리적 구조를 이용하는 연구들이 진행됐다. 예를 들면, 레이저 광선으로 이온이나 원자를 조작하는 ‘이온 트랩’, 극저온에서 전기저항이 사라져 전력 손실 없이 전류가 흐르는 ‘초전도체’, 실리콘 등의 반도체에 전자가 지나는 길을 제어하는 방법 등이다.

소자개형도. 수직으로 쌓은 상부와 하부 그래핀층 초전도전극 접합.

연구팀은 그래핀이 탄소로 이루어진 현존하는 가장 얇은 도체이면서 구리나 실리콘보다 수백 배 더 전자를 잘 이동시키는 점에 주목했다. 겹층그래핀 사이의 간격을 초전도 결맞음 길이보다 훨씬 얇게 하고 겹층그래핀의 특이한 밴드구조를 이용해 양자얽힘 현상과 함께 일어나는 부수 현상들을 효과적으로 차단해 순수한 양자얽힘 효율을 획기적으로 향상했다.

2차원 물질 수직 적층을 활용한 이번 연구는 2차원 물질인 겹층그래핀과 초전도를 결합시켜 기존 초전도 전자쌍의 양자얽힘 효율을 향상시켰다. 연구팀은 지난 수년에 걸쳐 학계에서 높은 관심을 받았던 그래핀과 초전도를 접합시킨 조셉슨 접합을 연구헤왔다.

연구를 주도한 이후종 교수는 “이번 연구성과는 앞으로 그래핀을 포함한 2차원물질을 이용한 양자얽힘 등 양자 소자 개발에 새로운 활로를 열 것으로 기대된다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 선도연구센터지원사업과 삼성미래기술육성재단의 지원으로 수행됐다.

*용어설명

1. 양자 얽힘(quantum entanglement): 두 양자상태가 공간적으로 멀리 떨어져 있어도 그것이 양자역학적인 상관관계로 묶여 있는 것을 양자얽힘이라고 한다. 양자컴퓨터에서 자료의 양은 큐비트로 측정된다. 한 큐비트는 양자상태 2개로 구성되는데, 예를 들면 두 상태는 서로 반대방향의 스핀을 가진다. 이 양자쌍이 각기 멀리 떨어져 있어도, 한쪽의 스핀 방향을 바꾸면 다른 쪽의 스핀 방향도 즉시 바뀐다. 이 현상을 통해 성질이 다양한 정보처리가 가능해지고 연산 속도도 대폭 빨라진다.

2. 결맞음: 양자상태의 파동 특성에서 간섭 현상을 볼 수 있는 조건.

3. 조셉슨 접합: 두 개의 초전도를 접합시켜 그 사이를 전자쌍이 전기저항 없이 통과하게 만든 소자로서, 이를 이용해 결맞음 특성이 우수한 양자소자를 만들 수 있다.