POSTECH 이길호·이후종 교수팀그래핀 이용 고효율 양자얽힘 구현
POSTECH 이길호·이후종 교수팀그래핀 이용 고효율 양자얽힘 구현
  • 전준혁기자
  • 등록일 2019.12.09 20:09
  • 게재일 2019.12.10
  • 댓글 0
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美화학회 ‘나노 레터스’ 최신호 발표
특이한 그래핀 밴드구조 이용
순수한 양자얽힘 획기적 향상
양자 소자 개발 활로 개척 기대

양자정보 통신은 정보사회의 패러다임을 바꿀 신기술로 여겨진다. 양자컴퓨터는 얽힘이나 중첩 같은 양자역학적인 현상을 활용해 연산을 처리하는 컴퓨터인데, 한 번의 연산으로 여러 계산을 동시에 처리할 수 있어 정보처리능력이 우수하며, 정보처리량이 늘어날수록 연산처리속도가 지금까지의 컴퓨터에 비해 기하급수적으로 빨라진다.

이런 양자컴퓨터를 구현하기 위해서는 입자 간의 양자역학적 상태얽힘 효율을 최대로 높여야 한다. 최근 POSTECH(총장 김무환) 연구팀이 그래핀을 이용해 고효율의 양자얽힘을 구현했다.

POSTECH 물리학과 이길호·이후종<사진> 교수, 박사과정 박건형씨 연구팀은 양자얽힘을 유도하기 위해 겹층그래핀을 육방정계질화붕소(hBN) 결정막으로 보호해 그래핀에서 무질서하게 산란되는 전자를 최소화했다.

또한 겹층그래핀을 수직으로 쌓고, 이 두 개의 겹층그래핀 가장자리를 초전도물질로 연결한 양자얽힘 소자 제작에 성공했다.

이 연구성과는 미국화학회 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 최신호를 통해 발표됐다.

연구팀은 그래핀이 탄소로 이뤄진 현존하는 가장 얇은 도체이면서 구리나 실리콘보다 수백 배 더 전자를 잘 이동시키는 점에 주목했다.

겹층그래핀 사이의 간격을 초전도 결맞음 길이보다 훨씬 얇게 하고 겹층그래핀의 특이한 밴드구조를 이용해 양자얽힘 현상과 함께 일어나는 부수 현상들을 효과적으로 차단해 순수한 양자얽힘 효율을 획기적으로 향상했다.

2차원 물질을 수직으로 쌓아 다양한 기능성을 실현하는 소자 개발이 경쟁적으로 이루어지고 있는 가운데, 이번 연구는 2차원 물질인 겹층그래핀과 초전도를 결합시켜 기존 초전도 전자쌍의 양자얽힘 효율을 향상시켰다는 점에서 주목을 모으고 있다. 이 연구팀은 지난 수년에 걸쳐 학계에서 높은 관심을 받았던 그래핀과 초전도를 접합시킨 조셉슨 접합에 대한 연구로도 국제적인 주목을 받았으며 이는 이번 후속 연구의 근간이 됐다.

이후종 교수는 “이번 연구성과는 앞으로 그래핀을 포함한 2차원물질을 이용한 양자얽힘 등 양자 소자 개발에 새로운 활로를 열 것으로 기대된다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 선도연구센터지원사업과 삼성미래기술육성재단의 지원으로 수행됐다.

*용어설명
△양자 얽힘(quantum entanglement): 두 양자상태가 공간적으로 멀리 떨어져 있어도 그것이 양자역학적인 상관관계로 묶여 있는 것을 양자얽힘이라고 한다. 양자컴퓨터에서 자료의 양은 큐비트로 측정된다. 한 큐비트는 양자상태 2개로 구성되는데, 예를 들면 두 상태는 서로 반대방향의 스핀을 가진다. 이 양자쌍이 각기 멀리 떨어져 있어도, 한쪽의 스핀 방향을 바꾸면 다른 쪽의 스핀 방향도 즉시 바뀐다. 이 현상을 통해 성질이 다양한 정보처리가 가능해지고 연산 속도도 대폭 빨라진다.
△결맞음: 양자상태의 파동 특성에서 간섭 현상을 볼 수 있는 조건. 
△조셉슨 접합: 두 개의 초전도를 접합시켜 그 사이를 전자쌍이 전기저항 없이 통과하게 만든 소자로서, 이를 이용해 결맞음 특성이 우수한 양자소자를 만들 수 있다. 

/전준혁기자 jhjeon@kbmaeil.com


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