양자 컴퓨터는 기술의 미래를 바꿀 주요 동력으로 여겨지지만, 불안정한 양자 현상을 칩에 구현하고 대규모로 작동시키는 것은 오랫동안 과학적 난제로 남아 있었습니다. 호주 뉴사우스웨일스 대학교(UNSW)의 연구팀이 최근 획기적인 성과를 거두었습니다. 실리콘 칩에서 원자핵이 양자 얽힘을 형성하고 20나노미터 거리에서 서로 “소통”할 수 있도록 만든 것입니다. 이는 양자 컴퓨터의 실용화를 위한 중요한 발걸음입니다.
목차
양자 얽힘이란 무엇일까요?
양자 얽힘은 마치 동기화된 쌍둥이와 같습니다. 아무리 멀리 떨어져 있어도 한 사람의 행동이 다른 사람에게 즉시 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 현상 덕분에 양자 컴퓨터는 엄청난 양의 데이터를 동시에 처리할 수 있어 기존 컴퓨터보다 몇 배나 빠릅니다. 하지만 실리콘 칩 상에서 원자핵 간의 얽힘을 구현하는 것은 간단한 일이 아닙니다. 과거에는 원자핵들이 서로 상호작용하려면 같은 전자를 공유해야 했습니다. 마치 같은 방 안에 있는 사람들끼리만 명확하게 대화할 수 있는 것과 같습니다. 방이 가득 차면 더 이상 확장하기 어렵죠.
획기적인 “전자전화”
UNSW 연구팀의 혁신은 원자핵 사이의 공유 전자에 의존하는 대신, 전자의 “확산 능력”을 신호 전달 매개체로 활용하는 데 있습니다. 두 원자핵이 약 20나노미터(사람 머리카락 굵기의 1/1000에 해당) 떨어져 있어도 전자를 통해 안정적인 연결을 형성할 수 있습니다. 연구진은 이를 다음과 같이 설명합니다. 이전에는 원자핵이 방음 처리된 방에 갇혀 방 안에서만 소통할 수 있었지만, 이제는 전화기를 통해 방을 넘어 소통할 수 있게 된 것입니다.
기존 칩 제조 공정과 호환 가능
20나노미터라는 거리는 현대 컴퓨터와 휴대폰 칩의 제조 규모와 정확히 일치합니다. 이는 미래의 양자 컴퓨터를 기존 반도체 기술을 사용하여 제조 공정을 재설계할 필요 없이 직접 대량 생산할 수 있음을 의미합니다. 반도체 업계에 있어 이는 양자 컴퓨터가 연구실에서 시장으로 진출할 가능성을 크게 높여줍니다. 뉴사우스웨일스대학교(UNSW) 연구팀은 이 방법이 안정적이고 확장 가능하며, 향후 더 많은 전자와 원자핵을 추가하여 대규모 양자 컴퓨팅을 구현할 수 있다고 밝혔습니다.
원자핵 스핀: 양자 컴퓨팅의 핵심
연구팀은 실리콘 웨이퍼에 있는 인 원자핵의 스핀을 이용해 양자 정보를 저장했습니다. 스핀은 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터를 능가하는 데 핵심적인 요소입니다. 이번 연구는 양자 정보를 이 스핀에 30초 이상 저장할 수 있으며, 양자 논리 연산의 오류율이 1% 미만임을 보여줍니다. 이는 원자핵 스핀이 안정적이고 서로 격리되어 있어 양자 컴퓨팅에 이상적인 정보 저장 매체임을 입증하는 것입니다.
전자가 신호 전달 다리가 되는 방법
전자는 매우 작은 입자이지만 공간을 자유롭게 이동하며 여러 원자핵과 상호작용할 수 있습니다. 연구자들은 이를 방음실 안에 있는 사람들이 방 안에서만 소통할 수 있는 것에 비유했습니다. 이제 전자는 마치 전화기처럼 먼 거리에서도 소통할 수 있게 되었습니다. 이 방법은 원자핵들이 하나의 전자만을 공유해야 한다는 기존의 제약을 깨뜨리고, 실리콘 양자 컴퓨터의 확장성을 확보하는 데 핵심적인 역할을 합니다.
도전 과제 및 향후 전망
칩 규모에서 양자 얽힘을 구현했음에도 불구하고, 슈퍼컴퓨터에 필적하는 양자 시스템을 구축하려면 여전히 수백에서 수천 개의 안정적인 큐비트가 필요합니다. 핵심 과제는 낮은 오류율을 유지하면서 규모를 확장하는 것입니다. 하지만 이번 연구는 기존 반도체 공정을 이용하여 양자 마이크로칩을 제작할 수 있음을 보여줌으로써 대규모 양자 컴퓨터의 현실화를 한 단계 끌어올렸습니다.
결론
UNSW의 이번 성과는 양자 컴퓨팅에 있어 중요한 진전을 의미합니다. 원자 스핀이 칩 규모에서 서로 얽히고 통신할 수 있게 됨으로써 확장 가능한 양자 컴퓨터를 위한 새로운 접근 방식을 제시합니다. 기술이 더욱 발전함에 따라 양자 컴퓨터는 일상생활에 깊숙이 통합되어 계산 방식과 기술 환경을 혁신적으로 변화시킬 것으로 기대됩니다.
원천:
- “전자 교환에 의해 매개되는 핵 스핀의 확장 가능한 얽힘”: Holly G. Stemp, Mark R. van Blankenstein, Serwan Asaad, Mateusz T. Mądzik, Benjamin Joecker, Hannes R. Firgau, Arne Laucht, Fay E. Hudson, Andrew S. Dzuoh 및 Andrew N. J.A. J. Morello, 2025년 9월 18일, Science.
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