양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터가 해결하기 힘든 특정 문제 풀이 – 소인수 분해, 최적화, 비정형 데이터(unstructured data) 탐색 등 – 에 강점을 갖는 차세대 전산 체계이다. 양자 컴퓨터가 작동하는 방식이 전적으로 양자 역학적인 효과인 양자 중첩이나 얽힘(entanglement) 등에 기반을 둔다는 점에서, 양자 컴퓨터는 또한 효율적인 양자 모사(quantum simulation)를 가능케 한다.

이러한 양자 컴퓨터를 이루는 기본 단위는 소위 큐비트(qubit)라 불리는 양자 2 준위계로, 현재까지 초전도체, 이온 트랩, 반도체 양자점, 고체 점 결함 등 다양한 양자계에서 큐비트의 실험적 구현이 보고된 바 있다. 그 중에서도 반도체 양자점 기반 큐비트는 반도체 양자점 내에 속박시킨 전자/정공(hole)의 전하(charge) 혹은 스핀 2 준위계를 이용하여 정의된다. 특히 양자점 스핀 큐비트는 작은 사이즈로 인한 높은 집적도와 긴 결맞음 시간(coherence time) 및 긴 이완 시간(relaxation time)에 장점이 있으며, 기존의 반도체 공정 기술과의 호환성으로 대규모 양산 및 고품질 공정 개발이 가능할 것으로 기대되고 있다.

그림 1. 김도헌 교수 연구팀에서 제작한 GaAs 반도체 양자점 큐비트 칩의 주사전자현미경 사진. 초록색 원은 하이브리드 큐비트가 형성된 이중 양자점의 위치, 노란색 원은 rf 전하 센서용 단일 전자 트랜지스터의 위치를 나타낸다. 

그림 2. 김도헌 교수 연구팀이 수행한 단발 측정 신호의 모식도 및 실시간 큐비트 상태 측정 신호(위), 해당 단발 측정법을 이용한 전자 3개 하이브리드 큐비트의 결맞은 라비 진동 구현(아래).

일반적인 큐비트 동작은 다음의 3단계로 이루어진다. 양자 상태를 1) 원하는 상태로 초기화하고, 초기화된 상태에 2) 양자 제어를 가하여 양자 중첩 및 얽힘 상태를 만든 후 3) 해당 큐비트의 상태가 0 혹은 1 중 어떠한 상태인지 측정해낸다. 단발 측정(single-shot readout)은 한 번의 양자 제어에 대해 단 한 번의 측정을 통하여 큐비트의 상태를 판별하는 측정법으로, 양자 에러 보정 및 고급 양자 알고리듬 구현에 필수 불가결한 기술이다.

하이브리드 큐비트는 반도체 양자점 스핀 큐비트의 한 종류로, 전기적으로 스핀 상태를 제어할 수 있다는 장점이 있어 스핀 큐비트의 긴 결맞음 시간과 전하 큐비트의 고속 제어 가능성을 동시에 갖는다. 때문에 하이브리드 큐비트의 구동은 일반적인 반도체 스핀 큐비트와는 다르게 마이크로 자석이나 전류 안테나 구조체 등을 필요로 하지 않아 큐비트의 집적성을 극대화할 수 있을 것으로 예상된다. 그러나 현재까지 해당 큐비트의 단발 측정법이 제시되지 않아 미래 양자 전산으로의 응용 가능성은 불투명하였다.

김도헌 교수 연구팀은 갈륨-아세나이드(GaAs) 반도체 양자점 구조에서 전자 3개를 이용한 하이브리드 큐비트를 만들고, 해당 큐비트의 단발 측정에 세계 최초로 성공하였다. 연구팀은 전자의 에너지 의존 터널링(energy-selective tunneling) 현상을 이용하여 큐비트 1 상태의 경우 양자점과 전자 우물 사이의 전자 터널링이 일어나도록 하고, 큐비트 0 상태의 경우 터널링이 일어나지 않도록 만들었으며, 초고속 rf (radio frequency) 전하 센싱 기법을 통해 해당 터널링 현상을 실시간으로 관측하여 고정확(정확도 > 96%) 단발 측정을 수행하였다. 연구팀은 이러한 단발 측정에 기반하여 GaAs 하이브리드 큐비트의 마이크로파 제어를 수행하고, 단일 큐비트의 범용 제어(universal control)가 가능함을 보였다.

연구팀은 더 나아가 양자 화학 계산 및 전계 모사(electrostatic simulation)를 통해 GaAs 양자점 내의 강상관 전자계(Strongly correlated electron system) 형성의 가능성을 확인하였다. 이는 반도체 양자점 구조 내에서 강상관 전자계의 양자 전산으로의 응용 가능성을 보여주는 결과임과 동시에 반도체 양자점 내에서 고주파 제어를 통한 강상관 전자계의 에너지 준위 분광 등 새로운 물리현상의 관측 가능성을 보여주는 중요 결과이다. 보고된 에너지 의존 터널링 현상을 이용한 단발 측정법은 GaAs에만 국한되지 않고 모든 소재의 반도체 하이브리드 큐비트에서 사용될 수 있는 범용적인 방법이다. 또한 단발 측정이 필수 선결조건인 게이트 세트 단층 촬영법(gate set to- mography)을 하이브리드 큐비트에 적용시킬 수 있게 됨으로써, 양자점 하이브리드 큐비트의 제어 정확도를 대폭 향상시킬 수 있을 것으로 전망된다.

모트 절연체(Mott insulator)는 전자-전자 사이의 강한 전기적 척력에 의해 생기는 양자 상태이다. 1968년 물리학자 Nevill Mott에 의해서 제안된 이 상태는 도핑(doping)이나 외부압력에 의해 고온초전도체로 상전이가 일어나기에 응집물질물리 분야에서 활발히 연구가 진행되고 있다.

▲염한웅 단장 연구팀이 주사터널현미경으로 관측한 두 개의 서로 다른 양자 상태를 가지는 1T-TaS₂ 표면에서 일어나는 포타슘 흡착.

일반적인 밴드 절연체와 달리 구분되는 모트 절연체의 기본적인 특징은 단위 격자 내에 홀수 개의 전자가 존재하는 것이다. 일반적으로 홀수 개의 전자가 존재하면 최외각 밴드가 절반만 차게 되는데, 강한 상호작용으로 인해 에너지 갭이 열리는 것이 모트 절연체이다. 하지만 모트 절연체의 활발한 연구에도 불구하고, 모트 절연체의 근거가 될 수 있는 홀수 개의 전자는 실험적으로 확인되지는 않았다.

기초과학연구원 염한웅 단장의 연구팀은 최근 2차원 반데르발스 물질 1T-TaS₂에서 한 번도 보고되지 않았던 모트 절연체의 밴드 절반 참(half-filling)을 실험적으로 관측하였다. 1T-TaS₂의 각 층은 다비드 별(Star of David)이라는 초격자를 형성하는데, 인접한 두 층의 다비드 별의 위치관계에 따라 모트 절연체 상태와 밴드 절연체 상태를 가진다. 물질을 박리시키면 모트 절연체 상태와 밴드 절연체 상태가 공존하는 영역이 관측된다. 이 연구팀은 1T-TaS₂ 표면에 포타슘(Potassium, K) 원자를 흡착시켜, 표면에 포타슘 원자들이 흡착되는 위치가 표면의 상태에 따라 다름을 관측하였다. 또한 포타슘 원자에서 나온 전자가 기판으로 전달되어 나타나는 전자상태의 변화를 통해 모트 절연체 상태가 밴드 절반 참 상태를 가지는 것을 증명해냈다.

이번 연구는 1T-TaS₂ 물질의 바닥 상태에 대한 오랜 논쟁의 종지부를 찍는 것에 의미가 크다. 또한 여러 상호작용이 있는 양자 상태를 원자 수준의 흡착물을 이용하여 실험적으로 구분해내는 방법을 제시한 것으로 큰 의미를 가지며, 향후 복잡한 상호작용이 공존하는 양자 상태에 대한 실험 연구에 기초가 될 수 있을 거라 기대한다.