기존 실리콘 칩 기반 ‘3-큐비트 양자 메모리’ 구현 성공

UC 버클리, 실리콘 ‘T-센터’ 양자 레지스터 개발

실리콘 반도체는 양자 기술 상용화의 마지막 퍼즐로 주목받고 있다. 과학자들은 기존 반도체 공정으로 제작 가능한 실리콘 칩에서 양자 정보를 안정적으로 저장·제어하는 데 성공했다.

미국 UC버클리(University of California, Berkeley) 알프 시파히길(Alp Sipahigil) 교수 연구팀은 실리콘 칩 내부에 형성된 원자 결함인 ‘T-센터(T-center)’를 활용해 3개의 큐비트를 저장·제어할 수 있는 양자 레지스터를 구현했다.

연구 결과는 국제 학술지 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 최근 게재됐다. 이번 성과는 차세대 양자 인터넷과 실용적 양자 컴퓨터로 가는 중요한 이정표가 될 전망이다.

T-센터는 실리콘 결정 구조 안에 의도적으로 만들어진 미세한 결함으로, 양자 정보의 ‘인터페이스’ 역할을 한다. 연구팀에 따르면 이 결함은 통신용 광섬유에서 손실이 적은 O-밴드 파장의 빛을 방출할 수 있어 장거리 양자 통신에 유리하다. 또한 양자 상태가 유지되는 결맞음 시간이 약 100밀리초(ms)에 달해, 기존 실리콘 기반 양자 소자보다 훨씬 안정적인 정보 저장이 가능하다는 평가다.

제조 방식 역시 기존 반도체 산업과 자연스럽게 맞닿아 있다. 연구진은 이온 주입 방식으로 실리콘 웨이퍼에 원자를 심고, 급속 열처리 공정을 통해 T-센터를 안정적으로 형성했다. 이후 리소그래피 공정을 활용해 광 도파로와 전기 회로를 칩 위에 집적했다. 그 결과 단일 T-센터를 칩 내부 광학 구조와 연결하고, 금속 배선을 통해 온칩 상태에서 큐비트를 제어하는 데 성공했다. 양자 소자를 위해 새로운 생산 라인을 만들 필요가 없다는 점이 가장 큰 강점이다.

성과도 구체적이다. 연구팀은 3개의 큐비트 사이에서 얽힘 상태를 생성하고, 양자 컴퓨팅의 핵심 연산 중 하나인 C-NOT(Controlled-NOT) 게이트를 구현했다. 이는 단순한 개별 큐비트 제어를 넘어, 실제 계산과 네트워크에 필요한 다중 큐비트 동작이 가능함을 입증한 것.

논문 제1저자인 한빈 송(Hanbin Song) 연구원은 “T-센터는 전자·광학 집적이 가능한 실리콘을 기반으로 하기 때문에 확장성이 매우 뛰어나다”며 “이번 연구는 실리콘 T-센터가 향후 양자 통신을 위한 다중 큐비트 메모리 노드로 활용될 수 있음을 보여준다”고 밝혔다.

연구팀은 앞으로 큐비트 판독 정확도를 높이고, 광학 신호의 선폭을 줄이는 데 집중할 계획이다. 이를 통해 더 많은 큐비트가 연결된 대규모 양자 네트워크 노드를 구축하는 것이 목표다.