한국 주도 신개념 양자컴퓨터 등장…'전자스핀 큐비트' 탄생

기초과학연구원(IBS) 연구진이 전자스핀을 이용해 양자컴퓨터 기본정보단위인 여러 큐비트를 만드는데 성공했다. 사진은 한국표준과학연구원이 개발한 초전도 기반 50큐비트 양자컴퓨터로 이번 기사와는 무관. / 사진=뉴시스

국내 연구진이 기존 양자(量子)컴퓨터와 설계 방식이 다른 새로운 양자컴퓨터 개념을 제안했다. 전자스핀을 이용해 양자컴퓨터 기본정보단위인 '큐비트'(Qubit)를 만드는 방식이다. 이 방식은 작은 공간에 집적회로를 구성하는 등 다양한 장점을 가져 양자컴퓨터의 새로운 가능성을 열었다는 평가가 나온다.

안드레아스 하인리히 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단장 연구팀은 6일 국제학술지 사이언스(Science)에 '세 개의 전자스핀으로 여러 개의 큐비트 시스템을 구현하는 데 성공했다'는 연구 논문을 게재했다. 이 논문은 일본·스페인·미국 연구팀과 국제공동 연구한 결과다. 특히 국산 기술로 큐비트 생산은 이번이 처음으로 의미가 크다.


양자컴퓨터 뭐길래

양자컴퓨터 개념. / 영상=기초과학연구원(IBS)

양자기술은 더이상 나눌 수 없는 에너지 최소단위인 양자 성질을 이용하는 기술이다. 눈에 보이지 않는 극미소(極微小) 세계에선 일상의 거시세계에서 이해하기 어려운 현상이 나타난다. 대표적으로 양자는 중첩·얽힘 등의 특성을 나타낸다.

기존 상용 컴퓨터는 0과 1로 이뤄진 비트(Bit)로 정보를 처리한다. 반면 양자컴퓨터는 정보처리 단위가 큐비트로 중첩·얽힘 특성에 따라 0과 1을 중첩해 나타낼 수 있다. 이 때문에 양자컴퓨터는 정보 저장량과 연산 속도가 기존 컴퓨터보다 월등히 높다. 구글이 슈퍼컴퓨터로 1만년 걸릴 계산을 양자컴퓨터로 200초만에 풀었다고 발표한 게 대표적인 사례다.

현재 양자컴퓨터 상용화를 위해 초전도접합, 이온트랩, 양자점, 양자위상상태, 전자스핀 등을 이용한 다양한 큐비트가 제시됐다. 하지만 양자기술 역사가 짧은 만큼 어떤 종류의 큐비트가 현재로선 최선일지 답을 내리기 어렵다. 큐비트의 집적도와 신뢰도를 높이는 공학적 연구와 함께 기존 큐비트의 약점을 보완할 새로운 양자기술 연구가 필요하기 때문이다.


한국이 제안한 양자컴퓨터 경쟁력은?

기초과학연구원(IBS)이 구현한 전자스핀 큐비트 개념. / 영상=기초과학연구원(IBS)

IBS 연구팀은 전자스핀 큐비트 개념을 고안했다. 지난 5월 자체 개발한 ESR-STM(전자스핀공명-주사터널링현미경)을 이용해 단일 원자의 전자스핀을 제어하고 큐비트로 활용할 수 있는 가능성을 입증했다. 이번 연구에선 원격제어 방식을 여러 큐비트 구조에 적용해 '복수 큐비트' 시스템을 구현하는 데 성공했다.

연구팀이 제시한 큐비트는 얇은 절연체(산화마그네슘) 표면 위에 여러 개의 티타늄 원자들이 놓인 구조다. STM 탐침을 이용해 각 원자의 위치를 정밀 조작해 여러 원자 스핀들이 상호작용할 수 있는 복수 티타늄 원자 구조를 만들었다. 이후 티타늄 원자에 탐침을 두고 원격제어 방식을 적용해 여러 큐비트를 단 하나의 탐침으로 동시에 제어·측정했다.

전자스핀 큐비트는 1㎚(나노미터·10억분의 1m)에 불과하다. 현재 범용되는 초전도체 큐비트에 비해 크기가 작고, 이론적으로 다양한 원자를 큐비트 재료로 쓸 수 있다. 가장 작은 크기의 큐비트인 만큼 양자집적회로를 구현할 수 있다는 점에서 기존 큐비트보다 더 큰 경쟁력을 지닌다. 이는 초전도체 큐비트, 이온트랩 큐비트 만큼 상용화 가능성이 높다는 의미다.

박수현 IBS 연구위원은 "원격으로 원자를 조작하면서 여러 개의 큐비트를 동시에 제어한 것은 이번이 처음"이라며 "이전까진 표면에서 단일 큐비트만 제어할 수 있었다면 이번 연구는 원자 단위에서 복수 큐비트 시스템을 구현한 것"이라고 했다.

배유정 IBS 연구위원은 "전자스핀 큐비트 플랫폼을 수십, 수백 큐비트까지 확장할 수 있음을 확인했다"며 "한국이 세계를 선도하는 새로운 플랫폼을 만들어 양자정보과학의 새 시대를 열고 혁신을 견인할 수 있다는 가능성을 보여줬다"고 말했다.

하인리히 단장은 "초전도체와 이온트랩 방식은 유럽과 미국에서 선도하기 때문에 한국은 후발 주자일 수밖에 없다"면서도 "이번 연구는 세상에 없던 최초의 기초연구로 한국이 선두그룹"이라고 말했다.

기초과학연구원(IBS) 연구진이 세 개의 전자스핀으로 여러 개의 큐비트 시스템을 구현한 방식. / 사진=기초과학연구원(IBS)