광 집게로 원자를 하나씩 던지고 받는다

카이스트 연구팀, 레이저 빔 활용
보다 강력한 양자컴퓨터 개발 가능해져

국내 연구진이 양자컴퓨터의 원천으로 원자 이동·배치를 더 효율적으로 실행할 수 있는 기술을 개발하는 데 성공했다. 레이저 빔을 사용한 '광 집게'를 이용해 원자를 하나씩 잡아서 집어 던지고 받을 수 있어 기존의 하나씩 운반하는 것보다 더 강력한 성능의 양자컴퓨터 개발이 가능하다.

한국과학기술원(KAIST·카이스트)은 안재욱 물리학과 교수 연구팀이 레이저 빔을 이용해 루비듐 원자를 하나씩 던지고 받는 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

광 집게를 이용해 원자 하나를 던지고 받는 기술의 모식도 왼쪽의 광 집게가 원자를 가속해 던진 다음, 오른쪽의 광 집게가 받아서 정지시킨 모습. 그림출처=카이스트 제공

양자컴퓨터의 기본 원리로 원자를 이동해 배치하는 기술은 리드버그 양자컴퓨팅 연구에 매우 중요하다. 원자를 원하는 위치에 배치하려면, 일반적으로 광 집게라고 불리는 매우 집속된 레이저 빔을 사용해 원자를 하나씩 잡아서 운반한다. 문제는 그동안 원자의 양자 정보가 변화할 가능성이 크다.

연구팀은 광 집게가 원자와 접촉하는 시간을 최소화해 양자 정보가 변하지 않도록 원자를 던지고 받는 방법을 개발했다. 원자의 온도가 매우 낮아 절대 영도 이하 4000만분의 일의 온도의 차가운 루비듐 원자가 광 집게의 초점을 따라서 빛이 가하는 전자기력에 매우 민감하게 움직인다는 특성을 이용했다. 광 집게의 레이저를 가속해서 원자에 광학적 킥을 줘서 원자를 목표지점으로 보낸 다음, 다른 광 집게로 날아오는 원자를 잡아서 멈추게 했다. 원자의 비행 속도는 65cm/s이고, 이동 거리는 최대 4.2 마이크로미터다.

기존의 광 집게로 원자를 잡아서 이동하는 기술에 비해 원자 이동을 위한 광 집게 이동 경로 계산이 필요 없어지고, 원자 배열에 생기는 결함을 쉽게 고칠 수 있다. 결과적으로 많은 개수의 원자 배열을 생성하고 유지하는 데 효과적이다. 양자 정보를 지닌 원자(flying atom qubit)를 추가로 던지고 받는 때에 양자 배열의 구조변화를 전제하는 새롭고 더욱 강력한 양자컴퓨팅 방법을 연구할 수 있다.

안재욱 교수는 “이 기술이 더 크고 강력한 리드버그 양자 컴퓨터를 개발하는 데 사용될 것”이라며 “리드버그 양자 컴퓨터에서 원자는 양자 정보를 저장하고, 전자기력을 통해 인접한 원자들과 상호작용해 양자컴퓨팅을 수행할 수 있도록 배치된다. 만약 오류가 발생해 원자를 교체하거나 이동해야 할 경우, 원자를 던져서 빠르게 재구성하는 방법이 효과적일 수 있다”고 말한다.

이번 연구는 이달 발간된 국제 학술지 '옵티카(Optica)'에 3월 10권 3호에 출판됐다. 논문명은 'Optical tweezers throw and catch single atoms' 이다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr