위상 초전도 물질 전자 상관관계 조율해 양자 상태 제어

물질 원소 비율 조절, 위상 초전도체 양자 컴퓨팅 새 접근

양자컴퓨터의 최대 난제 중 하나는 오류에 취약한 양자 상태를 어떻게 안정적으로 유지하느냐에 있다.

미국 웨스트버지니아대(WVU)와 시카고대 프리츠커 분자공학대 연구진은 최근, 단 하나의 물질에서 원소 비율을 정밀하게 조절하는 것만으로 ‘이국적인(exotic)’ 양자 상태를 선택적으로 전환할 수 있음을 보여주며, 오류에 강한 양자컴퓨팅 플랫폼으로 주목받는 위상 초전도체 실현에 한 걸음 다가섰다.

양자컴퓨터를 현실로 만들기 위해 과학자들이 주목해온 물질 가운데 하나가 철 텔루라이드 셀레나이드(iron telluride selenide)다. 이 물질은 초전도성을 지니는 동시에, 스핀-궤도 결합과 강한 전자 상관관계 같은 ‘이국적인’ 양자 특성을 함께 갖고 있어 차세대 양자소자의 후보군으로 꼽혀왔다.

이번 연구에서 두 대학 공동 연구팀은 이 물질을 초박막 박막 형태로 성장시킨 뒤, 텔루륨과 셀레늄의 조성 비율을 미세하게 조절하는 방식으로 전자 간 상호작용의 성격을 변화시켰다. 그 결과, 동일한 물질 안에서 서로 다른 양자 상(quantum phase)을 오가며 전환할 수 있음을 실험적으로 입증했다.

특히 연구진은 양자컴퓨팅 분야에서 가장 주목받는 상태 중 하나인 위상 초전도체(topological superconductor)에 도달하는 데 성공했다. 위상 초전도체는 외부 잡음에 강하고 구조적으로 안정적인 특성을 지녀, 양자 오류를 근본적으로 줄일 수 있는 물질로 평가된다.

공동 저자인 서바시시 만달(Subhasish Mandal) 웨스트버지니아대 물리·천문학과 교수는 “현재의 슈퍼컴퓨터는 신약 설계나 암호 해독과 같은 특정 문제 앞에서 분명한 한계에 부딪힌다”며 “오류 없는 양자컴퓨터는 이러한 장벽을 넘어설 잠재력을 갖고 있지만, 그 전제 조건은 바로 위상 초전도체와 같은 특수한 물질을 확보하는 것”이라고 설명했다.

이번 연구의 핵심은 전자 상관관계(electron correlations)에 있다. 연구진에 따르면 전자 간 상호작용이 지나치게 강하면 전자가 제자리에 ‘고정’되고, 반대로 너무 약하면 물질의 위상적 특성이 사라진다. 그러나 적절한 균형 지점에서는 위상 초전도성이 자연스럽게 나타난다. 즉, 원소 비율 조절이 전자 상관관계를 정밀하게 제어하는 ‘민감한 조절 손잡이(control knob)’ 역할을 하는 셈이다.

연구팀의 대학원생 크리스토퍼 제이컵스(Christopher Jacobs)는 고급 계산 기법을 활용해 이러한 전이를 이론적으로 설명했다. 그는 텔루륨 농도가 증가함에 따라 전자의 움직임과 표면 상태가 달라지고, 이 변화가 양자 상태 전환의 직접적인 원인임을 밝혀냈다.

“이처럼 미묘한 균형이 실제 실험에서 드러난 것은 놀라운 경험이었다”고 만달 교수는 말했다. “전자 상관관계는 그동안 과소평가돼 왔지만, 위상 양자 물질을 설계하는 데 있어 매우 강력한 도구가 될 수 있다. 양자 물질은 고정된 대상이 아니라, 내부 상호작용을 통해 능동적으로 조율할 수 있는 시스템임을 이번 연구가 보여준다.”

이번 연구 결과는 Nature Communications에 게재, 연구진은 향후 다양한 양자 물질 시스템으로 이 접근법을 확장할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 양자 상태를 ‘발견’하는 단계를 넘어, 의도적으로 설계하고 제어하는 시대로 향하는 중요한 이정표라는 평가가 나온다.