한국과학기술정보연구원(KISTI)과 호주 뉴사우스웨일즈 대학교, 미국 퍼듀대학교 국제 공동연구팀은 실리콘을 기반으로 한 다중 큐비트 시스템의 구현이 가능함을 밝히고 연구결과를 네이처지에 발표했다. 뉴사우스웨일즈 대학교는 주사형 터널 현미경을 이용한 공정으로 소자를 제작하고 KISTI와 퍼듀 대학교는 계산을 통해 소자 특성을 이론적으로 규명하는 방식으로 연구를 진행했다.

양자컴퓨터는 현존하는 컴퓨터보다 월등히 계산성능이 뛰어난 것으로 알려져있다. 양자 컴퓨터에서 기존 컴퓨터의 비트(bit)와 같은 역할을 하는 정보의 기본 단위인 큐비트 (Qubit)의 안정성과 정보 유지 시간 문제, 그리고 시간당 정보의 처리량을 늘리기 위한 다중 큐비트(Multiple Qubit) 시스템의 구현 문제 등이 양자 컴퓨터 실용화를 위한 난제로 여겨져 왔다.

실리콘은 그 물질의 특성상 가간섭성 시간(Coherence Time)이 길고, 스핀-궤도 결합성(Spin-orbit coupling)이 작아 정보 유지의 시간 및 다중 큐비트 시스템 구현 측면에서 유리할 것으로 여겨져 왔지만 아직 실제 실리콘 기반의 다중 큐비트 시스템을 구현한 사례는 없었다. 연구진은 실리콘에 인(Phosphorus)원자 2-3개를 심어 다중 큐비트 시스템을 구현하고 그 동작의 안정성을 이론적으로 검증해 내 실리콘 기반 양자컴퓨터 구현 가능성을 한 단계 끌어올렸다. 특히 인(Phosphorus) 원자를 집적한 실리콘 기반의 큐비트 시스템은 초저온에서 1018초의 정보유지 시간을 자랑하기 때문에 다중 큐비트 기반의 확장성 있는 양자컴퓨터 개발에 많은 연구진이 매진했지만 실리콘-인 기반의 다중 큐비트 시스템을 구현한 사례는 없었다.

공정을 통해 만들어진 소자가 제대로 작동한다는 것을 증명하기 위해서는 계산을 통해 증명해야 한다. 뉴사우스웨일즈 대학에서 만든 다중 큐비트 시스템의 경우 편미분 방정식을 행렬화 시켜 풀어야 하는데 행렬의 크기가 최대 3000만X3000만에 달해 반드시 슈퍼 컴퓨터를 활용하거나 이를 수행할 수 있는 독자적인 소프트웨어 개발이 필요하다.

KISTI 류훈<사진> 박사는 뉴사우스웨일즈 대학교에서 제작한 샘플의 성능 측정결과가 다중 큐비트 시스템으로서 적합하다는 사실을 슈퍼컴퓨터 기반의 계산을 통해 이론적으로 규명하고 3차원 반도체 물질의 전자구조 계산 소프트웨어를 개발했다. 류훈 박사는 "현재 연구결과는 2-3개의 인 원자를 집적한 것으로 실리콘 기반의 양자컴퓨터 개발을 위한 기본단계"라며 "더 많은 인 원자를 가진 큐빗 시스템의 성능을 계산해 실리콘 기반 양자컴퓨터의 확장성를 높이기 위한 설계의 가이드라인을 확보할 계획"이라고 말했다. 오정연 기자

양자컴퓨터란

양자역학의 원리에 따라 작동되는 미래형 첨단 컴퓨터이다. 양자역학의 특징을 살려 병렬처리가 가능해지면 기존의 방식으로 해결할 수 없었던 다양한 문제를 해결할 수 있게 된다. 여러 곳에서 실험적으로 만들어지고 있으나 아직까지 완전히 개발되지는 않은 상태이다.

<저작권자ⓒ대전일보사. 무단전재-재배포 금지>