양자컴퓨터 시대 앞당기는 실마리 찾았다

국제 연구팀, 위상절연체 표면 전자특성 제어 새로운 방법 발견

▲나노 구조의 비스무스 셀레나이드 전자현미경 사진(a)과 나노 구조의 비스무스 셀레나이드 단면 전자현미경 사진(b).[사진제공=한국기초과학지원연구원]

[아시아경제 정종오 기자] 양자컴퓨터 시대를 앞당길 수 있는 실마리가 열렸다. 국내 연구팀이 양자컴퓨터의 소재로 주목 받고 있는 위상절연체 표면의 전자특성을 제어할 수 있는 새로운 방법을 발견했다.

양자컴퓨터의 소재로 주목 받고 있는 위상절연체 표면의 전자특성을 제어할 수 있는 새로운 방법이 발견됐다. 위상절연체를 활용한 스핀트로닉스 소자 개발과 양자컴퓨터 실용화에 한 걸음 더 다가서게 될 전망이다.

위상절연체(位相絶緣體, Topological Insulator)란 내부는 절연체인데 표면에서는 전기가 흐르는 특징을 가진 물질을 말한다. 표면 또는 2차원 상태에서는 에너지 손실 없이 전기 전도가 가능하기 때문에 최근 저전력 소자 개발 연구에 활용되고 있다.

스핀트로닉스(Spintronics)는 전자(電子)의 자기(磁氣)적 회전을 말하는 스핀(Spin)과 전자공학(Electronics)의 합성어이다. 전자의 전하와 스핀정보를 이용해 전자의 이동을 제어하는 전자공학을 말한다.

연구팀은 3차원 위상절연체 물질로 주목받고 있는 비스무스셀레나이드(Bi2Se3)에 비스무스 층을 삽입하는 방법을 통해 표면의 반데르발스 갭(Van der Waals Gap)을 확장시켰다. 전자도핑 효과를 만들어내고 이로 인한 궤도자성의 특성을 갖게 할 수 있음을 밝혀냈다.

위상절연체의 전자특성을 제어하기 위해서는 물질의 전자띠(Electron Band)의 강한 에너지 변화가 필수적이다. 스핀제어에 어려움이 있었다. 이번 연구로 전자의 스핀 상태를 제어할 수 있을 뿐만 아니라 에너지를 거의 사용하지 않고도 빛의 속도로 전자전도가 가능한 디락전자(Dirac Electron)의 전도도를 제어할 수 있게 됐다.

다락전자는 금속의 표면 상태에서 에너지를 거의 사용하지 않고도 전자전도도가 가능한 상태의 전자를 일컫는다.

양자상태로 저장된 정보가 외부로 빠져 나가지 않고 큐비트 안에 계속 유지하도록 해주기 때문에 큐비트의 안정성을 중시하는 양자컴퓨터 실용화에 한 걸음 가까워지는 학문적 해결책을 제시한 것으로 평가 받는다.

이번 연구는 한국기초과학지원연구원(원장 이광식) 전자현미경연구부 김해진 박사가 주도하고 그리스 국립과학원 '데모크리토스 연구소', '요아니나 대학교', 아랍에미리트(UAE)의 '석유대학'이 참여했다.

연구 결과는 네이처에서 발행하는 재료과학 전문 학술지인 'NPG Asia Materials' 온라인판(논문명: Unexpected orbital magnetism in Bi-rich Bi2Se3 nanoplatelets)에 지난 5월 말 실렸다.

김해진 박사는 "이번 연구는 위상절연체의 전자스핀 상태를 물질의 삽입이라는 물리적 작용을 통해 에너지를 거의 사용하지 않으면서도 손쉽게 제어할 수 있다는 새로운 발견에 있다"며 "앞으로 다양한 나노구조 물질과 위상절연체의 물리·화학적 특성 연구를 통해 스핀트로닉스 소자 개발, 양자컴퓨터 실용화 등 다양한 응용방법을 제시해 나갈 계획"이라고 말했다.

한편 양자컴퓨터는 노벨물리학상(1965년) 수상자인 리처드 파인만 교수에 의해 1982년에 그 개념이 제안됐다. 반도체가 아닌 스핀을 기억소자로 활용하는 것으로 알려져 있다.

기존의 컴퓨터는 모든 데이터를 0 또는 1로 나타내는 정보의 단위로 비트(bit)를 사용했다. 양자컴퓨터에서는 데이터가 0이면서 동시에 1이 될 수 있는 양자역학계의 고유한 특성인 '중첩'을 이용한 양자 정보의 기본 단위인 큐비트(qubit, quantum bit)를 사용한다.