조선대학교(총장 김춘성)는 명노준 물리교육과 교수팀이 단일층 그래핀을 이용해 양자정보를 제어할 수 있는 스핀 큐비트의 새로운 구현 방법을 이론적으로 제시했다고 2일 밝혔다.
이번 연구는 그래핀을 이용한 차세대 양자정보 소자 개발 가능성을 보여준 성과로, 다학제 물리학 분야 상위 11%에 해당하는 국제학술지 '프론티어즈 오브 피직스'에 게재됐다.
큐비트는 양자컴퓨터, 양자센싱, 양자통신 등 미래 양자과학 기술의 기본 단위다. 기존 컴퓨터의 비트가 0과 1 중 하나의 값만 저장하는 것과 달리, 큐비트는 양자의 중첩과 얽힘을 이용해 여러 정보를 동시에 표현하고 처리할 수 있다.
그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양으로 한 층만 구성된 매우 얇은 소재로, 전자가 빠르게 이동하고 양자 상태가 오래 유지되는 장점이 있다. 하지만 전자를 원하는 위치에 안정적으로 가두기 어려워 큐비트 소자로 활용하는 데 한계가 있었다.
연구팀은 그래핀을 기판 위에 올릴 때 형성되는 미세한 공기방울 형태의 '나노버블'에 주목했다. 나노버블은 스마트폰 액정필름을 붙일 때 생기는 작은 기포와 비슷한 구조로, 주변에 특수한 유사자기장을 만들어 전자를 일정한 공간에 가둘 수 있음을 제시했다.
연구팀은 여기에 전자의 스핀과 운동 방향을 연결하는 양자효과인 '라쉬바(Rashba) 스핀-궤도 상호작용'을 적용해, 외부에서 인가하는 전압으로 큐비트 내 양자상태를 전기적으로 제어할 수 있음을 이론적으로 밝혔다.
명노준 교수와 정명철 박사(G-LAMP 사업단 LAMP포닥)는 컴퓨터 시뮬레이션과 이론 계산을 통해 해당 구조에서 그래핀 스핀 큐비트가 안정적으로 동작할 수 있는 조건을 분석했다. 큐비트의 스핀 상태가 반복적으로 진동하는 '라비(Rabi) 진동'이 가능함을 확인해, 그래핀 기반의 양자정보 소자 활용 가능성을 제시했다.
명노준 교수는 “이번 연구는 그래핀의 뛰어난 전기적 특성을 유지하면서도 스핀 큐비트를 구현할 수 있는 새로운 설계 원리를 제시한 것”이라며 “앞으로 실험 연구를 통해 실제 그래핀 기반 양자정보 소자 개발로 이어질 수 있기를 기대한다”고 말했다.
한편 명노준 교수 연구팀은 과학기술정보통신부의'양자플래그십 프로젝트'와 '중견연구사업', 교육부의 'G-램프(LAMP) 사업' 등 주요 연구과제를 수행하며, 양자정보 기초 이론부터 양자센싱 응용까지 폭넓은 연구를 수행하고 있다.
전남광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
