UNIST(총장 이용훈)는 김제형 물리학과 교수팀이 고체 양자 시스템(큐비트 생성 시스템)에서 발생하는 포논(진동입자)의 간섭 문제와 광원 밝기 문제를 동시에 해결하는 기술을 개발했다고 1일 밝혔다. 

김 교수는 "다이아몬드 같은 고품질 정제 단결정 소재 대신 철물점에서 흔히 보는 저품질 다결정 소재를 활용한 역발상으로 기존보다 높은 신뢰성, 속도, 효율을 갖는 상온 양자 시스템을 만들 수 있다"고 설명했다.

고체 내 점 결함은 고체 시스템에서 만드는 대표적인 큐비트다. 원자가 빠진 점 결함의 전자 스핀(spin)이나 점 결함이 만든 빛 입자(광자)를 광학 큐비트로 활용하는 방식으로, 상온에서의 작동이 장점이다. IBM 등에서 연구하는 초전도 양자 시스템, 이온 트랩 양자 시스템 등은 영하 270 정도의 극저온에서만 작동한다.

하지만 기존 고체 점 결함 기반 큐비트 시스템은 고체 내부의 포논과 불필요한 상호작용을 하는 간섭 문제, 낮은 광 추출 효율 때문에 정보의 신뢰성과 효율 측면에서 한계가 있었다. 

연구진은 단결정 벌크형 소재 대신 다결정 나노 소재인 탄화실리콘(SiC) 나노선(nanowire)을 시스템 재료로 사용해 이와 같은 문제를 해결했다. 연구진은 다결
정 나노 소재가 기존 정제 단결정 소재와 달리 면 결함이 많다는 점에 주목했다. 점 결함이 면 결함 내에 자리 잡으면 포논에 의한 불필요한 간섭이 줄어드는 원리다. 결함으로 결함을 제어하는 '이이제이 시스템'인 셈이다. 또 정제 단결정 벌크 소재와 달리 나노구조는 광방출에 유리해 밝기가 크게 밝아지는 장점도 있다.

실험 결과 기존 고품질 단결정 시료보다 30배 이상 밝고 좁은 선폭을 갖는 빛을 확인했다. 빛 파장의 선폭이 좁을수록 포논 간섭 현상이 줄어듦을 의미한다. 

김 교수는 "소재 제작과 측정 기술의 발달로 고체 점 결함 기반 양자 시스템 연구에는 진전이 있었지만, 점 결함 고유 특성을 제어하는 것은 난제로 남아있었다"며 "기존 상식을 깨고 저품질 소재에 흔한 면 결함으로 점 결함 특성을 제어하는 새로운 접근법을 제시했다"고 말했다.

이어 그는 "해당 기술로 상온에서도 기존보다 높은 신뢰성과 효율, 속도를 갖는 양자 컴퓨터, 양자 통신, 센서와 같은 양자 정보 시스템을 확보할 수 있을 것"이라고 기대했다.

한국연구재단 양자컴퓨팅기술개발사업과 정보통신기획평가원 대학ICT 연구센터 육성지원사업을 통해 이뤄진 이번 연구 결과는 세계적인 학술지 '나노레터스(Nano Letters)' 온라인에 지난 22일 속보로 게재됐다.