울산과학기술원(UNIST) 연구진이 차세대 정보처리기술로 꼽히는 양자 정보기술의 핵심인 '양자 광원'을 제어하는 방법을 찾았다. 김제형 자연과학부 교수팀은 원자 한 개 수준의 두께를 갖는 '이차원 반도체 물질'과 부분적으로 힘 제어가 가능한 '실리콘 미세 소자'를 결합, 양자 광원 위치와 파장을 동시에 제어하는 데 성공했다고 3일 밝혔다.
양자 광원은 전자의 스핀이나 초전도 전류처럼 양자 정보 처리의 기본 단위인 '큐비트'(Qubit)를 구현할 수 있다. 큐비트는 양자 상태에서 1과 0이 중첩되거나 얽히면서 정보를 표현하는 단위로, 0과 1로 정보를 표현하는 비트 단위보다 발전된 개념이다.
기존 정보처리 기술 핵심이 다수의 비트를 구현하는 '반도체 집적소자'이듯, 실용성 높은 양자 정보처리를 위해서는 큐비트를 생성하고 제어하는 기술이 핵심이다.
더 많은 정보를 동시에 처리하려면 더 많은 큐비트가 집적돼야 하고, 큐비트 간 상호작용을 일으키기 위해서는 각 큐비트 특성이 동일해야 한다.
따라서 광자(빛) 기반의 양자 정보기술을 상용화하려면 실제 소자(chip) 위에 다수의 단일 양자 광원을 동시에 생성하고 제어하는 기술이 필요하다.
김 교수팀은 스카치테이프를 이용해 얇은 반도체 박막을 만든 뒤, 이를 피라미드 구조가 규칙적으로 배열된 실리콘 미세 소자에 연결하는 방법으로 광원 위치와 파장을 동시에 조절하는 데 성공했다.
원자층 두께를 갖는 얇은 반도체 물질은 미세한 구조물(피라미드)에 의해 양자화될 수 있다는 점에 착안한 것이다.
즉, 피라미드 구조 위치를 옮기면 양자 광원 위치도 자유롭게 바꿀 수 있다. 양자 광원 파장은 꼭짓점에 집중되는 힘은 크기에 따라 달라지는데, 이 힘은 실리콘 미세 소자 외부에서 전기로 제어할 수 있어 양자 광원의 파장도 원하는 대로 조절할수 있다. 따라서 이번 연구 결과는 연산 속도와 보안성, 정확성을 기존보다 개선해 양자 정보기술 시대를 앞당길 것으로 주목받고 있다.
이번 연구 결과는 나노분야 국제학술지 '나노 레터스'(Nano Letters) 9월 9일 자 온라인판에 게재됐다. 하주화기자 usjh@