과학자들이 실리콘 칩에서 양자 컴퓨팅을 위한 향상된 안정성을 제공하는 인공 원자(artificial atoms)를 만들었다.

UNSW 시드니(Sydney) 양자 컴퓨팅 연구자들은 전자가 양자 정보 기본 단위인 큐비트(qubit) 또는 양자 비트(quantum bits)로 사용되는 양자 회로의 실리콘 ‘양자점(quantum dot)’에서 인공 원자를 구현했다.

연구 논문은 11일(현지시각) 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 에 발표됐다.

앤드류 주렉(Andrew Dzurak, Scientia Professor) 교수는 실제 원자와 달리 인공 원자에는 핵이 없지만 여전히 원자의 핵 주위가 아닌 장치의 중심 주위를 감싸는 전자 셀이 있다고 설명했다.

ARC수상자 주렉(Dzurak) 교수는 “전자를 사용하여 인공 원자를 생성한다는 아이디어는 새로운 것이 아니다. 사실 1930년대에 이론적으로 처음 제안된 후 1990 년대에 실험적으로 실증됐다. 실리콘에서는 그렇지 않았다. 우린 2013년 실리콘에서 기초 버전을 제작했다”고 말했다.

그는 양자점 장치를 제조한 UNSW 호주 국립 제조시설 책임자이기도 하다.

그는 “그러나 우리의 최근 연구에서 우리를 흥분시키는 것은 전자가 더 많은 인공 원자가 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 강력한 큐비트로 판명돼 양자 컴퓨터에서 계산에 안정적으로 사용될 수 있다는 것이다. 단 하나의 전자를 기반으로 하는 것은 매우 신뢰할 수 없다”고 설명했다,

원소 주기율표

주렉 교수는 연구팀이 생성한 다양한 종류의 인공 원자 큐비트를 주기율표에 비유한다.

그는 “하나의 전자는 수소, 두 개는 헬륨, 세 개는 리튬으로 시작하는 전자 수에 따른 순서로 알려진 모든 요소가 나열돼 있다. 각각의 원자가 점점 더 많은 전자와 함께 무거워 질수록 ‘껍질(shell)’이라고 하는 서로 다른 수준의 궤도로 조직된다. 양자 회로에서 인공 원자를 만들 때 주기율표의 자연 원자와 마찬가지로 전자가 잘 조직되고 예측가능한 전자 껍질을 갖는다는 것이 밝혀졌다”고 설명했다.

이 연구의 주저자 UNSW 로스 레온(Ross Leon)과 안드레 사라이바(Andre Saraiva) 박사는 인공 원자에서 전자의 안정성을 테스트하기 위해 실리콘으로 양자 소자를 구성했다.

그들은 금속 표면의 ‘게이트’전극을 통해 실리콘에 전압을 가해 여분의 전자를 끌어 당겨 양자점, 즉 직경이 10 나노미터에 불과한 작은 공극을 형성했다.

사라이바 박사는“우리는 천천히 전압을 증가시키면서 양자점에 인공 원자를 형성하기 위해 하나씩 새로운 전자를 끌어들일 것”이라며 “실제 원자에서는 중심 양전하가 핵이 되고 음전하를 띤 전자가 그 주위에 3차원 궤도로 고정돼 있다. 우리의 경우 양전하가 아니라 실리콘 산화물의 절연 장벽에 의해 실리콘과 분리된 게이트 전극이다. 전자가 그 아래에 위치해 양자점의 중심 주위를 공전하지만, 구를 형성하기보다는 디스크에 평평하게 배열된다”고 말했다.

실험을 진행 한 레온 박사는 연구원들이 여분의 전자가 새로운 외피를 채우기 시작했을 때 일어난 일을 설명했다. 주기율표에서 외부 껍질에 전자가 하나만 있는 원소에는 수소와 금속 리튬, 나트륨 및 칼륨이 있다.

로스는“양자점에서 수소, 리튬 및 나트륨의 등가물을 만들 때, 기본적으로 외부 쉘에서 단일 전자를 큐비트로 사용할 수 있다”며 “지금까지 원자 수준에서 실리콘 소자의 결함으로 인해 큐비트의 작동 방식이 중단돼 신뢰할 수 없는 작동 및 오류가 발생했다. 그러나 내부 쉘의 여분의 전자는 표면의 불완전한 표면에서 ‘프라이머’처럼 행동하는 것으로 보인다. 양자점은 바깥 껍질의 전자에 안정성을 준다”고 설명했다.

스핀

전자의 안정성과 제어를 달성하는 것은 실리콘 기반의 양자 컴퓨터가 현실화되기 위한 중요한 단계다. 고전 컴퓨터가 0 또는 1로 표현 된 정보의 ‘비트’를 사용하는 경우, 양자 컴퓨터 큐비트는 0과 1의 값을 동시에 저장할 수 있다. 이것은 양자 컴퓨터가 종래의 컴퓨터처럼 순차적인 방식이 아닌 병렬 계산을 수행할 수 있게 한다. 양자 컴퓨터의 데이터 처리 능력은 사용 가능한 큐비트 수에 따라 지수적으로 증가한다.

주렉 교수는 큐비트 값을 인코딩하는 데 사용하는 전자의 스핀에 대해 설명했다.

스핀은 양자역학적 성질이다. 전자는 작은 자석처럼 작용하며, 스핀이 회전하는 방식에 따라 1또는 0에 해당하는 극이 위 또는 아래로 향할 수 있다.

그는”실제 원자 또는 인공 원자의 전자가 완전한 껍질을 형성하면, 시스템의 총 회전이 0이 되도록 극을 반대 방향으로 정렬해 큐비트로 사용할 수 없다. 그러나 새로운 껍질을 시작하기 위해 새 전자를 더하면 이 여분의 전자는 이제 다시 큐비트로 사용할 수 있는 스핀을 가지게 된다”고 설명했다.

이어 그는 “우리의 새로운 연구는 이러한 인공 원자의 외부 껍질에서 전자의 스핀을 제어해 안정적이고 안정적인 큐비트를 제공 할 수 있음을 보여준다. 이것은 이제 훨씬 덜 취약한 큐비트로 작업 할 수 있다는 것을 의미하기 때문에 중요하다. 하나의 전자는 매우 깨지기 쉽다. 그러나 5개의 전자 또는 13개의 전자를 가진 인공 원자는 훨씬 더 강력하다”고 강조했다.

실리콘 이점

주렉 교수 연구그룹은 2015년 세계 최초로 실리콘 장치에서 두 큐비트 사이의 양자 논리를 시연했다. 모든 최신 컴퓨터 칩 제조에 사용되는 것과 동일한 기술인 CMOS 기술을 기반으로 한 풀스케일 양자 컴퓨터 칩 아키텍처 설계를 발표했다.

그는 “실리콘 CMOS 기술을 사용해 새로운 의약품의 설계, 에너지 소비를 줄이기 위한 새로운 화학 촉매와 같은 중요한 문제를 해결하는 데 필요한 수백만 큐비트의 양자컴퓨터 개발 시간을 대폭 단축할 수 있다”고 말했다.

연구 그룹은 화학 결합 규칙이 새로운 인공 원자에서 어떻게 ‘인공 분자’를 만드는지 연구할 계획이다. 이것들은 대규모 실리콘 양자 컴퓨터의 실현에 필요한 개선된 멀티 큐비트 로직 게이트를 생성하는데 사용될 전망이다.