조선대, 단일층 그래핀 기반 스핀 큐비트 구현 가능성 제시…양자정보 소자 개발 기여

조선대, 단일층 그래핀 기반 스핀 큐비트 구현 가능성 제시…양자정보 소자 개발 기여 명노준 조선대학교 물리교육과 교수. 조선대학교(총장 김춘성)는 명노준 물리교육과 교수팀이 단일층 그래핀을 이용해 양자정보를 제어할 수 있는 스핀 큐비트의 새로운 구현 방법을 이론적으로 제시했다고 2일 밝혔다. 이번 연구는 그래핀을 이용한 차세대 양자정보 소자 개발 가능성을 보여준 성과로, 다학제 물리학 분야 상위 11%에 해당하는 국제학술지 '프론티어즈 오브 피직스'에 게재됐다. 큐비트는 양자컴퓨터, 양자센싱, 양자통신 등 미래 양자과학 기술의 기본 단위다. 기존 컴퓨터의 비트가 0과 1 중 하나의 값만 저장하는 것과 달리, 큐비트는 양자의 중첩과 얽힘을 이용해 여러 정보를 동시에 표현하고 처리할 수 있다. 그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양으로 한 층만 구성된 매우 얇은 소재로, 전자가 빠르게 이동하고 양자 상태가 오래 유지되는 장점이 있다. 하지만 전자를 원하는 위치에 안정적으로 가두기 어려워 큐비트 소자로 활용하는 데 한계가 있었다. 연구팀은 그래핀을 기판 위에 올릴 때 형성되는 미세한 공기방울 형태의 '나노버블'에 주목했다. 나노버블은 스마트폰 액정필름을 붙일 때 생기는 작은 기포와 비슷한 구조로, 주변에 특수한 유사자기장을 만들어 전자를 일정한 공간에 가둘 수 있음을 제시했다. 정명철 조선대학교 G-LAMP 사업단 박사. 연구팀은 여기에 전자의 스핀과 운동 방향을 연결하는 양자효과인 '라쉬바(Rashba) 스핀-궤도 상호작용'을 적용해, 외부에서 인가하는 전압으로 큐비트 내 양자상태를 전기적으로 제어할 수 있음을 이론적으로 밝혔다. 명노준 교수와 정명철 박사(G-LAMP 사업단 LAMP포닥)는 컴퓨터 시뮬레이션과 이론 계산을 통해 해당 구조에서 그래핀 스핀 큐비트가 안정적으로 동작할 수 있는 조건을 분석했다. 큐비트의 스핀 상태가 반복적으로 진동하는 '라비(Rabi) 진동'이 가능함을 확인해, 그래핀 기반의 양자정보 소자 활용 가능성을 제시했다. 명노준 교수는 “이번 연구는 그래핀의 뛰어난 전기적 특성을 유지하면서도 스핀 큐비트를 구현할 수 있는 새로운 설계 원리를 제시한 것”이라며 “앞으로 실험 연구를 통해 실제 그래핀 기반 양자정보 소자 개발로 이어질 수 있기를 기대한다”고 말했다. 한편 명노준 교수 연구팀은 과학기술정보통신부의'양자플래그십 프로젝트'와 '중견연구사업', 교육부의 'G-램프(LAMP) 사업' 등 주요 연구과제를 수행하며, 양자정보 기초 이론부터 양자센싱 응용까지 폭넓은 연구를 수행하고 있다. 전남광주=김한식 기자 hskim@etnews.com