단일 원자 전자스핀 큐비트의 3차원 모식도 [IBS 제공]

“미국·중국 주도 양자컴퓨터, 한국도 일 냈다!”

국내 연구진이 꿈의 양자컴퓨터 상용화를 앞당길 것으로 기대되는 핵심 원천기술 개발에 성공했다. 기존과는 다른 설계로 양자컴퓨터 기본 정보 단위인 큐비트를 새롭게 만들어 낸 것이다. 양자컴퓨터 후발주자인 한국이 미국, 중국, 일본 등을 따라잡을 수 있는 획기적 기술이라는 평가를 받는다.

기초과학연구원(IBS) 안드레아스 하인리히 양자나노과학연구단장 연구팀은 전자스핀을 이용하는 새로운 양자 플랫폼을 제시하고, 세 개의 전자스핀으로 ‘복수 큐비트(양자비트)’ 시스템까지 구현하는 데 성공했다고 밝혔다.

이번 연구성과는 세계 최고 권위 국제학술지 ‘사이언스(Science)’에 6일(한국시간) 게재됐다.

양자컴퓨터를 상용화하기 위한 핵심 기술 중 하나가 바로 큐비트다. 이 큐비트를 어떻게 설계하고 표현하느냐가 중요한데 이번 연구성과가 바로 큐비트 설계다. 지금까지 세계 각국 연구진들은 초전도접합, 이온트랩, 양자점, 양자위상상태 등을 이용한 다양한 큐비트를 제시했다. 하지만 정밀한 제어가 어렵고 신뢰도가 떨어지는 문제점 때문에 기존 큐비트의 약점을 보완할 새로운 큐비트 개발이 요구되고 있다.

공동 교신저자 배유정 연구위원은 “전자스핀 큐비트 플랫폼을 수십, 수백 큐비트까지 확장할 수 있음을 확인했다”며 “한국이 세계를 선도하는 새로운 플랫폼을 만들어 양자정보과학의 새 시대를 열고, 혁신을 견인할 수 있다는 가능성을 보여줬다”고 전했다. ‘꿈의 컴퓨터’로 불리는 양자컴퓨터는 미국, 중국, 일본 등 주요 선진국들과 구글, IBM 등 빅테크 기업들이 주목하고 집중적 투자를 단행하고 있다. 후발주자인 우리나라도 2030년대 양자기술 4대 강국으로 도약을 목표로 부족한 핵심인재 양성에도 적극 나서고 있다.

양자컴퓨터는 원자 단위에서 일어나는 중첩과 얽힘이라는 양자적 현상에 착안했다. 중첩과 얽힘 성질을 기반으로 양자 알고리즘이 구동되는 양자컴퓨터를 개발하면 현존하는 슈퍼컴퓨터를 월등히 능가하는 성능을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

실제 구글은 슈퍼컴퓨터로 1만년 걸릴 계산을 자체 개발한 양자컴퓨터로 200초 만에 끝냈으며, 중국과학기술대학교는 25억년 걸릴 문제를 양자컴퓨터로 200초 만에 풀었다고 발표하기도 했다.

컴퓨터의 정보 저장 및 연산 기본 단위인 비트는 0 또는 1의 값을 가진다. 이와 달리 양자컴퓨터는 큐비트가 기본 단위로 0과 1의 중첩 상태로 연산을 수행할 수 있어, 정보 저장량과 연산 속도 등 성능이 기존 컴퓨터보다 월등히 높다.

기초과학연구원 연구진이 제시한 큐비트 플랫폼은 얇은 절연체(산화마그네슘) 표면 위에 여러 개의 티타늄 원자들이 놓인 구조다. 연구진은 주사터널링현미경(STM)이라는 탐침장비를 이용해 각 원자의 위치를 정확하게 조작해서 여러 원자 스핀들이 상호작용할 수 있는 복수 티타늄 원자 구조를 만들었다.

이후 센서 역할을 할 티타늄 원자(센서 큐비트)에 탐침을 두고 원격제어 방식을 적용해 센서 및 원거리에 놓인 여러 큐비트(원격큐비트)들을 단 하나의 탐침으로 동시에 제어·측정하는 데 성공했다.

이번에 제시된 플랫폼은 큐비트 간 정보 교환을 원자 단위에서 정밀하게 제어할 수 있다는 장점이 있다. 또한 개별 큐비트의 크기가 1nm(나노미터) 이하인 즉, 가장 작은 크기의 큐비트를 이용해 양자집적회로를 구현할 수 있다는 점에서 기존 큐비트 플랫폼과 차별화된다. 또한 초전도체 등 특정 재료를 사용해야 하는 다른 플랫폼(초전도접합 큐비트)과 달리 다양한 원자를 큐비트의 재료로 선택할 수 있다.

공동 교신저자인 박수현 연구위원은 “원격으로 원자를 조작하면서 여러 개의 큐비트를 동시에 제어할 수 있다는 것은 정말 놀라운 일”이라며 “이전까지는 표면에서 단일 큐비트만 제어할 수 있었던 반면, 이번 연구를 통해 원자 단위에서 복수 큐비트 시스템을 구현하는 큰 도약을 이뤘다”고 설명했다. 구본혁 기자