러시아, 스웨덴, 헝가리 및 미국 과학자들이 공동 연구를 통해 실온에서 작동하는 안정적인 큐비트 생성 방법을 개발했다.

양자 컴퓨터 개발에 새 전망을 제시한 이번 연구 결과는 이미 고정밀 자력계, 바이오 센서 및 새로운 양자 인터넷 기술 개발에 사용될 수 있다.

연구결과는 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)에 게재됐다.

양자비트 또는 큐비트(qubit)는 양자 시스템에서 가장 작은 데이터 저장장치로, 기존 컴퓨팅 프로세스에서 잘 알려진 비트와 유사하다. 지금까지 양자 컴퓨터 프로토타입이 만들어졌지만 가까운 미래에 양자 컴퓨터가 놀라운 컴퓨팅 기능을 갖추게 될 것이라는 데 과학자들은 대체로 동의한다.

또한 양자 기술은 이미 초 보안 통신 회선과 같은 여러 영역에서 사용되고 있다. 주요 문제 중 하나는 작동에 필요한 큐비트의 불안정성과 매우 낮은 온도 조건이다.

오늘날 가장 인기있는 큐비트 유형은 초전도 물질 또는 단일 원자 유형으로 모두 매우 낮은 온도에서만 존재해 지속적인 시스템 냉각에 막대한 비용이 필요하다.

반도체 물질은 유망한 소자가 될 수 있다. 예를 들어, 다이아몬드 격자의 점 결함에서 큐비트가 생성 될 수 있는 것으로 알려졌다. 결함은 하나의 탄소 원자(C)를 질소 원자(N)로 대체하며 발생, 공극(V) 근처에 결함을 갖는다. 그러한 큐비트가 실온에서 성공적으로 작동한다는 것이 이미 입증됐다.

a 광학 여기 하에서 컬러 센터의 밝은 상태. b이 입사 광자는 결함을 이온화하여 어두운 상태로 전환 할 수 있지만 c는 밝은 상태를 다시 채울만큼 충분한 에너지를 가지고 있지 않다. d 그러나, 퀀텀 웰(quantum well)에서 여기 레이저는 성공적으로 밝은 상태를 재펌핑할 수 있다. e 적층 결함을 포함해 결함이 있는 4H-SiC의 밴드 구조. 빨간색 곡선은 6각형 ‘Brillouin zone’의 기저 평면에서 벌크형 전도 및 원자가 밴드 상태를 나타낸다. 자주색 곡선은 c 방향으로 국소화되고 기저 평면에 분산된 적층 결함 상태를 보여준다. credit: Nature Communications.

헝가리와 미국의 동료들과 함께 러시아 국립 과학기술대( NUST MISIS)와 스웨덴 린코핑대학(Linköping University) 과학자들은 다른 물질인 탄화 규소(SiC)를 사용해 안정적인 반도체 큐비트를 제조하는 방법을 발견했다. 다이아몬드에 비해 훨씬 간단하고 비용 효과적이다.

SiC는 이미 큐비트를 생성하기 위한 유망한 재료로 여겨졌지만 때로는 이러한 큐비트가 즉시 실온에서 열화됐다. 따라서 과학자들은 큐비트의 안정적인 작동을 보장하는 구조적 변형을 알아내는 것을 목표로 삼았다.

린코핑대 이고르 아브리코소브(Igor Abrikosov) 교수는 “큐비트를 만들기 위해, 결정 격자의 점 결함이 레이저를 사용해 여기되고 광자가 방출될 때 이 결함이 발광하기 시작한다. 이전에 PL1에서 PL6에 이르는 SiC의 발광에서 6개의 피크가 관찰 됨이 입증됐다. 이는 적층 결함이라고하는 단일 ‘변위’ 원자 층이 격자에서 두 개의 공극 위치 근처에 나타나는 특정 결함 때문” 이라고 말했다.

연구팀은 SiC 큐비트가 실온에서 작동하게 하는 구조적 특징을 규명, 화학적 기상 증착에 의해 인위적으로 생성할 수 있었다. 이는 실온에서 작동하는 양자 컴퓨터 구현의 새로운 가능성을 열어준다.

또한 연구 결과는 이미 고정밀 자력계, 바이오 센서 및 새로운 양자 인터넷 기술을 만드는 데 사용될 수 있다.

* Ivády, V., Davidsson, J., Delegan, N. et al. Stabilization of point-defect spin qubits by quantum wells. Nat Commun10, 5607 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-13495-6