초전도체 소재 ‘UTe2’ 퀀텀컴퓨팅 양자 결풀림 극복 가능

과학자들은 효과적인 양자 논리 회로를 방해하는 주요 장애물 중 하나를 회피 할 수 있는 초전도체를 발견했다.

양자컴퓨팅을 위한 민감한 양자 물리적 상태인 양자 결맞음(quantum coherence)은 주변의 잡음 등 교란으로 인해 유지하기가 어렵다. 복합 우라늄 디텔루라이드(UTe2)에서 새로 발견된 특성은 양자 결맞음 등 큐비트(Qubit)의 높은 안정성과 자기장 저항성을 보여준다.

NIST(National Institute of Standards and Technology) 연구는 UTe2가 초기 양자 컴퓨터 산업에 매력적 재료가 될 수 있음을 제시한다. UTe2는 자기장에 대한 독특하고 강한 저항력으로 인해 초전도(SC) 재료 중 희귀하게 큐비트 설계 시 주로 발생하는 양자 연산 오류에 대한 저항력이 있다. 초전도체는 특정온도 이하에서 저항이 0이 되는 물질로, 쿠퍼쌍(Cooper pair)라 불리는 전자쌍에 의해 초전도전류가 흐른다.

NIST뉴런연구센터(NCNR) 물리학자 닉 부치(Nick Butch)는“이것은 양자 정보 시대의 실리콘이 될 가능성이 있다”며 “우라늄 다이텔루라이드를 사용해 효율적인 양자 컴퓨터의 큐비트를 구축 할 수 있다”고 말했다.

미국 메릴랜드대(University of Maryland)와 에임스 연구실(Ames Laboratory) 과학자들이 참여한 이 팀의 연구결과는 15일(현지시각) 사이언스 저널에 실렸다.

논문은 기술 응용과 기초 과학의 관점에서 흥미로운 UTe2의 드문 특성을 자세히 설명했다. 이 중 하나는 UTe2를 통해 전기를 전도하는 전자가 파트너가 되는 특이한 방법이다. 구리선 또는 다른 일반 도체에서 전자는 개별 입자로 이동하지만 모든 SC에서 쿠퍼쌍을 형성한다.

이러한 페어링을 유발하는 전자기 상호 작용은 재료의 초전도를 담당한다. 이런 종류의 초전도에 대한 설명은 페어링을 발견한 세 명의 과학자의 이름을 따서 BCS이론이라고 불렀다. 이들은 노벨상을 공동 수상했다.

이 쿠퍼 페어링에 특히 중요한 것은 모든 전자가 갖는 특성이다. 양자 ‘스핀(spin)’으로 알려진 전자는 마치 작은 자석을 가지고 있는 것처럼 행동한다. 대부분의 SC에서, 쌍을 이루는 전자는 양자 스핀이 단일 방식으로, 하나의 전자는 위로 향하고 파트너는 아래로 향하게된다. 이 반대 페어링을 스핀 단일항(spin singlet)이라고 한다.

알려진 소수 초전도체 중 하나인 UTe2 쿠퍼 쌍은 삼중항(triplets) 스핀, 즉 세 가지 조합 중 하나의 스핀 방향을 가질 수 있다. 이러한 조합을 통해 쿠퍼쌍 스핀을 반대 방향이 아닌 평행하게 맞출 수 있다.

​양자역학에서 삼중항 상태(Triplet state)란 스핀1(S=1)상태를 말하며 시스템 각각은 -1, 0, +1의 3가지 스핀상태(Sz=-1,0,+1)를 가질 수 있다. ​스핀이란 실제 양자 회전 보다는 양자들이 가지고 있는 고유의 각운동량 개념으로 전자, 양성자, 중성자의 시간에 따른 에너지와 운동량 관측에 있어서 중요하다. ​일상적인 상태에서 대부분의 분자들은 단일항 상태(Singlet state)로써 존재한다.

연구팀에 따르면 대부분의 스핀-삼중항 SC는 토폴로지 (topological) SC로, 초전도성은 재료 표면에서 발생하고 외부 교란에도 불구하고 초전도 상태를 유지하는 유용한 특성을 갖는다. 이러한 병렬 스핀 쌍은 양자 컴퓨터 기능을 유지하는 데 도움이 될 수 있다. 양자 요동으로 인한 충돌을 피할 수 있다.

기존 모든 양자 컴퓨터는 주변 환경에서 발생하는 오류를 수정하는 방법이 필요했다. SC는 오랫동안 양자 컴퓨터 구성 요소의 기반으로 일반적인 장점을 갖는다고 여겨졌다. 최근 양자 컴퓨터 개발에 있어서 상업적 진보는 초전도체로 만들어진 회로를 포함하고있다.

양자 컴퓨터가 채택할 수 있는 토폴로지SC의 특성은 양자 오류 수정이 필요하지 않다는 추가적인 이점이다. 부치는 “오류 없는 큐비트를 제공하기 때문에 토폴로지 SC가 필요하다”며 “토폴로지 SC는 환경으로부터 큐비트를 보호하기 때문에 양자 컴퓨팅으로의 대체 경로”라고 말했다.

연구팀은 화학, 압력 또는 자기장을 변경해 원하는 대로 전자 속성을 조정할 수 있는 우라늄 기반 자석을 탐색하면서 UTe2를 우연히 발견했다. 이 물질은 미세 방사성 ‘고갈 우라늄(depleted uranium)을 포함하지만 UTe2로 만든 큐비트는 작고 컴퓨터 내에서 쉽게 보호 될 수 있다.

부치는 “UTe2는 1970 년대에 처음으로 만들어졌다. 우리는 관련 재료를 합성하는 동안 일부 UTe2를 저온에서 테스트, 어떤 현상이 간과 될 수 있는지 확인했다“고 설명했다.

연구팀은 NCNR과 메릴랜드대에서 UTe2를 탐색, 낮은 온도(섭씨 -271.5도, 또는 1.6 켈빈)에서 초전도성을 확인했다. 초전도 특성은 저온 영구 자석처럼 작용하는 동시에 강자성 희귀 초전도체의 특성과 유사하지만 UTe2 자체는 강자성체(ferromagnetic)는 아니다. UTe2가 흥미로운 부분이다.

자기장에도 강하다. 일반적으로 자기장는 초전도성을 파괴하지만 장이 적용되는 방향에 따라 UTe2는 35 테슬라의 높은 자기장을 견딜 수 있다. 이는 일반적인 냉장고 자석보다 3,500 배나 강력하며 대부분의 저온 토폴로지 SC보다 몇 배 이상 견딜 수 있다.

연구팀은 아직 UTe2가 토폴로지 SC라는 결론을 내리지 못했지만 부치는 강한 자기장에 대한이 특이한 저항은 그것이 스핀 삼중항 SC이어야하므로 토폴로지 SC일 가능성이 높다고 말한다. 이 저항은 과학자들이 UTe2의 특성과 초전도성 자체를 이해하는 데 도움이 될 수 있다.