양자컴퓨팅을 실현하기 위해서는 이전 정보처리 환경과 다른 새로운 문화가 조성돼야 한다.

섬세하고 예민한 장비와 이를 제작할 수 있는 소재, 그리고 미세한 정보를 다룰 수 있는 공법, 그리고 기존 컴퓨터와는 다른 쾌적한 양자상태 등이 요구된다.

그중에서도 과학자들이 가장 고민해왔던 것이 양자상태(quantum state)다. 꿈의 컴퓨터인 양자컴퓨터를 실현하고, 각종 전자제품에 적용하기 위해서는 양자상태의 안정화가 필수적인데 오랜 기간 어려움을 겪던 중 최근 성과가 이어지고 있다.

양자 컴퓨팅, 전자제품 적용 가능해져   

13일 ‘사이언스 얼럿’에 따르면 미국 시카고대학 연구팀이 탄화규소(silicon carbide)를 소재로 양자정보를 처리할 수 있는 안정적 장치를 개발하는데 성공했다.

연구에 참여한 시카고 대학의 분자공학자 데이비드 어스찰럼(David Awschalom) 교수는 “탄화규소로 제작한 장치(device)가 놀라울 만큼 뛰어난 정보처리 능력을 보였다.”고 말했다.

교수는 “양자상태의 안정화로 인해 그동안 고민해왔던 관련 전자제품 상용화가 가능해졌으며, 양자컴퓨팅 성능 역시 더 업그레이드해나갈 수 있는 계기를 마련할 수 있게 됐다.”며 크게 기뻐했다.

논문은 ‘사이언스’와 ‘사이언스 어드밴스’ 지에 두 편으로 나뉘어 최근 게재됐다.

‘사이언스’ 지에는 ‘Electrical and optical control of single spins integrated in scalable semiconductor devices’, ‘사이언스 어드밴스’ 지에는 ‘Electrically driven optical interferometry with spins in silicon carbide’이란 제목으로 각각 게재됐다.

양자컴퓨터가 미래 정보처리 능력을 크게 바꿔놓을 것이라는 사실을 부인하는 사람은 없을 것이다.

기존 컴퓨터의 비트(bit) 대신 큐비트(qubit)를 사용해 무한대에 가까울 만큼 성능을 개선할 수 있다는 주장에 대해 많은 사람들이 공감하고 있다. 그러나 실용화에 있어서는 여태껏 전폭적인 공감대를 얻고  있지 못하고 있었다.

소재 및 부품, 그리고 공법에 관한 기술 부족이 심각했기 때문.  양자컴퓨터가 작동하기 위해서는 양자소자를 안정화할 수 있는 기술이 필요한데 이를 감당할 장치(device)가 미완성 상태에 머물고 있어 연구자들을 불안케 하고 있었다.

이런 상황에서 해결책으로 제시된 것이 특수 소재인 탄화규소다.

실리콘 카바이드라고 하는 이 물질은 1890년 미국의 화학자인 애처슨(Edward Acheson)이 발견한 물질이다. 그는 인공 다이아몬드를 만들기 위해 코크스‧점토 혼합물에 탄소아크를 가열하면서 반짝이는 화합물을 발견했다.

“관련 제품 다양하게 개발할 수 있어”    

애처슨은 이 물질이 내열성과 강도가 뛰어난 이 물질(탄화규소)을 다용도로 사용할 수 있다고 보고 카보란덤(Carborundum)이란 물질로 특허를 낸 후 판매하기 시작한다.

초기에는 전기로의 발열체로서 사용돼왔지만 최근 들어서는 LED 조명에서부터 망원경에 이르기까지 광범위하게 사용되고 있다. 특히 탄화규소섬유(silicon carbide fiber)는 내열성, 강도가 매우 강한 신소재로 각광받고 있는 중이다.

시카고대학 연구팀은 이 탄화규소를 양자상태(quantum state)를 안정화하는데 사용했다. 그리고 이 소재가 양자상태 안정화에 뛰어난 효과가 있다는 것을 확인할 수 있었다.

그동안 양자컴퓨터를 개발해온 다수의 과학자들은 다이아몬드 속의 결함(defects)이 있는 곳에 실리콘을 밀어 넣어 인위적으로 공간을 만든 후 전자 등에 입자를 넣어 정보를 처리하는 방식을 적용하고 있었다.

시카고대 연구팀은 역시 같은 방식을 사용했으나 양자상태가 불안정해 안정적으로 양자컴퓨터를 구현하기가 힘들었다.  이런 상황에서 실리콘 대신 탄화규소를 소재로 공간을 조성하는 실험을 진행했고, 마침내 안정된 양자상태를 구현할 수 있었다고 밝혔다.

연구팀은 논문을 통해 이번 연구 결과가 양자컴퓨터 개발에 있어 중요한 의미를 담고 있다고 말했다. 탄화규소를 활용할 경우 기존의 통신 시스템에 큰 변화를 주지 않고서도 양자컴퓨팅을 구현해낼 수 있다는 것.

연구팀은 또 이 기술을 통해 다양한 전자제품에 양자컴퓨팅을 접목해 구현할 수 있으며, 실제로 고단위 컨트롤이 가능한 ‘양자 FM 라디오(quantum FM radio)’를 구현할 수 있었다고 말했다.

덧붙여 빛을 발산하는 소자 다이오드(diode)를 통해 소음이나 간섭이 없는 안정적인 양자신호(quantum signal)를 송출할 수 있다고 밝혔다. 그동안 발생했던 불안정한 양자신호는 양자컴퓨터 개발을 가로막는 난제 중의 하나였다.

어스찰럼 교수는 “이번 연구로 인해 양자컴퓨터 상용화 기간을 단축할 수 있게 됐으며, 특히 세계 각국을 연결하고 있는 광섬유 네트워크에 양자컴퓨팅을 앞당겨 도입할 수 있을 것"으로 내다봤다.