한국-일본 공동연구팀, 전자 에너지 상태 자유롭게 조절하는 양자소자 개발
연구 결과는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 최근 게재됐다.
일상에서 사용하는 전자기기 내부의 전자는 정해진 회로를 따라 움직이지만, 양자 세계에서는 전자가 동시에 여러 경로를 취하는 특성을 보인다. 이러한 양자적 특성을 활용하면 기존 컴퓨터보다 훨씬 강력한 연산 능력을 가진 양자컴퓨터 구현이 가능하다.
이번 연구의 핵심은 '3단자 조셉슨 접합(Josephson junction)'이라는 특수 구조다. 연구팀은 세 개의 초전도체를 삼각형 모양으로 그래핀 위에 배치해 전자가 다양한 방향으로 이동할 수 있는 환경을 조성했다. 이는 기존의 일직선 구조에서 다방향 교차로로 확장된 개념으로 볼 수 있다.
연구진은 전극 사이의 양자 위상차를 정밀하게 조절함으로써 특정 지점에서 전자의 성질이 완전히 변화하는 '위상 전이(topological transition)' 현상도 관측했다. 이 현상은 물질의 상태 변화와 유사하게 전자의 행동 양식이 근본적으로 달라지는 것을 의미한다. 연구팀은 마이크로전자볼트(μeV) 수준의 정밀도를 가진 장비를 활용해 이 과정을 실시간으로 관찰하는 데 성공했다.
가장 주목할 만한 성과는 자연계에 존재하지 않는 전자의 에너지 구조를 인위적으로 설계했다는 점이다. 이는 마치 건축가가 건물의 층을 자유롭게 설계하듯, 전자가 존재할 수 있는 에너지 수준을 인위적으로 디자인할 수 있게 되었음을 의미한다.
이길호 POSTECH 교수는 "이번 연구는 미래 양자 기술의 중요한 전환점이 될 것"이라며, "특히 오류에 강한 양자컴퓨터 구현의 핵심으로 꼽히는 '마요라나 준입자(Majorana quasiparticles)'를 실제로 만들 수 있는 새로운 방향성을 제시했다는 점에서 의미가 크다"고 설명했다.
이번 연구는 삼성미래기술육성재단, 한국연구재단, 과학기술정보통신부 정보통신기획평가원(IITP), 기초과학연구원, 삼성전자, 일본 학술진흥회(JSPS KAKENHI) 및 일본 문부과학성 WPI 사업 등의 지원으로 수행됐다.
이 기술이 실용화되면 전자의 움직임을 더욱 정밀하게 제어할 수 있게 되어, 안정성과 성능이 향상된 차세대 양자컴퓨터 개발에 중요한 기반이 될 것으로 전망된다.
김수정 기자
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