자기장 없이 원하는 큐비트만 선택 제어
다중 큐비트·양자정보처리 기술 활용 기대

양자컴퓨터의 성능을 좌우하는 큐비트를 자기장 대신 전압만으로 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 기술이 제시됐습니다.

기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단과 독일 카를스루에공과대학교(KIT) 공동연구팀이 전압으로 단일 분자의 양자 상태를 선택적으로 제어하는 새로운 원리를 규명했습니다.

양자컴퓨터는 원자나 분자 단위의 큐비트를 이용해 정보를 저장하고 계산하는 차세대 컴퓨터입니다. 하지만 기존에는 자기장을 이용해 큐비트를 제어하면서 주변까지 영향을 미쳐 특정 큐비트만 정밀하게 다루는 데 한계가 있었습니다.

연구팀은 산화마그네슘 표면 위에 철 프탈로시아닌 단일 분자와 철 원자가 결합한 구조를 만든 뒤, 주사터널링현미경(STM)과 전자스핀공명(ESR) 기술을 결합해 개별 분자의 양자 스핀 변화를 원자 수준에서 분석했습니다.

분석 결과 탐침에 가하는 전압만 높여도 큐비트의 스핀 공명 주파수가 크게 변하는 현상을 확인했습니다.

특히 일정 전압 이상에서는 공명 주파수가 선형적으로 증가하지 않고 특정 구간에서 급격히 변하는 비선형 스핀-전기 결합현상이 나타났습니다. 이는 기존에 보고된 분자 스핀의 전기적 제어 효과보다 약 30배 큰 수준입니다.

연구팀은 이러한 변화가 단순한 전기장의 영향이 아니라 탐침과 분자 사이의 '교환 상호작용'이 전압에 따라 달라지면서 발생한다는 사실도 밝혀냈습니다.

또 두 개의 분자가 연결된 구조에서도 탐침 아래에 있는 큐비트만 선택적으로 제어하는 데 성공해 여러 큐비트가 연결된 환경에서도 원하는 대상만 정밀하게 제어할 수 있음을 입증했습니다.

연구팀은 이번 기술이 분자 기반 양자컴퓨터와 양자센서, 양자정보처리 기술 개발의 핵심 기반이 될 것으로 기대하고 있습니다.

이번 연구 결과는 국제학술지 네이처 피직스(Nature Physics) 6월 29일 자 온라인 판에 실렸습니다.