울산과학기술원(UNIST)은 양자 정보의 기본 단위인 '큐비트'(Qubit)를 상온에서 만들 수 있는 새로운 양자 소재를 개발했다고 1일 밝혔다.

UNIST에 따르면 물리학과 김제형 교수 연구팀은 큐비트를 생성하는 '고체 양자 시스템'의 새로운 고체 소재를 개발했다.

고체 시스템에서 만드는 대표적인 큐비트인 '고체 내 점 결함'은 원자가 빠진 점 결함의 전자 스핀이나 점 결함이 만든 빛 입자를 광학 큐비트로 활용하는 방식인데, 상온에서 작동하는 것이 큰 장점이다.

IBM 등에서 연구하는 초전도 양자 시스템, 이온 트랩 양자 시스템 등은 영하 270도 정도의 극저온에서만 작동한다.

그러나 기존 고체 내 점 결함 기반 큐비트 생성 시스템은 고체 내부의 포논(진동입자)과 불필요한 상호작용을 하는 간섭 문제와 낮은 광 추출 효율 때문에 신뢰성과 효율 측면에서 한계가 있었다.

이에 연구팀은 단결정 벌크형 소재 대신 다결정 나노 소재인 탄화실리콘 나노선을 시스템 재료로 사용해 이 문제를 해결했다.

연구팀은 다결정 나노 소재가 기존 정제 단결정 소재와 달리 면 결함이 많다는 점에 주목, 점 결함이 면 결함 내 자리를 잡으면 포논에 의한 불필요한 간섭이 줄어드는 원리를 이용했다.

또 정제 단결정 소재와 달리 나노 구조는 광 방출에 유리해 밝기가 크게 밝아지는 장점도 있다.

김제형 교수는 "소재 제작과 측정 기술의 발달로 고체 점 결함 기반 양자 시스템 연구에 진전이 있었지만, 점 결함 고유 특성을 제어하는 것은 난제로 남아 있었다"며 "다이아몬드 같은 고품질 정제 단결정 소재 대신 저품질 소재를 활용한 역발상으로 기존보다 높은 신뢰성, 속도, 효율을 갖춘 상온 양자 시스템을 만들었다"고 말했다.

김 교수는 이어 "양자 컴퓨터, 양자 통신, 센서 등에 응용할 수 있을 것"이라고 덧붙였다.

연구 결과는 국제 학술지 '나노 레터스'(Nano Letters)에 10월 22일 자로 온라인 게재됐다.

연구는 한국연구재단의 양자컴퓨팅기술개발사업, 정보통신기획평가원의 대학ICT 연구센터 육성지원사업을 통해 이뤄졌다.