고전 컴퓨터로는 해결하기 어렵거나 아예 불가능한 문제를 해결할 수 있는 양자 컴퓨터 개발은 현재 전 세계적으로 점점 더 많은 연구팀이 추구하는 목표입니다. 그 이유는 가장 작은 입자와 구조의 세계에서 비롯되는 양자 효과가 많은 새로운 기술 응용 분야를 가능하게 하기 때문입니다. 양자 역학의 법칙에 따라 정보와 신호를 처리할 수 있는 초전도체는 양자 컴퓨터 구현에 유망한 구성 요소로 여겨집니다. 그러나 초전도 나노 구조의 난관은 매우 낮은 온도에서만 작동하기 때문에 실용적인 응용 분야에 적용하기 어렵다는 점입니다.
뮌스터 대학교와 율리히 연구센터의 연구진은 고온 초전도체로 만들어진 나노선에서 에너지 양자화 현상을 최초로 시연했습니다. 고온 초전도체는 양자역학적 효과가 지배적인 온도 이하로 온도가 높아진 상태를 말합니다. 이러한 초전도 나노선은 정보를 인코딩하는 데 사용할 수 있는 특정 에너지 상태만을 취합니다. 연구진은 또한 고온 초전도체에서 정보를 전달하는 데 사용되는 빛 입자인 단일 광자의 흡수 현상을 최초로 관찰하는 데 성공했습니다.
"이번 연구 결과는 한편으로는 미래 양자 기술에서 훨씬 간소화된 냉각 기술의 활용에 기여할 수 있고, 다른 한편으로는 아직 완전히 이해되지 않은 초전도 상태와 그 역학을 지배하는 과정에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다."라고 뮌스터 대학교 물리학 연구소의 카르스텐 슈크 부교수는 강조했습니다. 따라서 이번 연구 결과는 새로운 유형의 컴퓨터 기술 개발에 중요한 의미를 가질 수 있습니다. 이번 연구는 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재되었습니다.
과학자들은 이트륨, 바륨, 산화구리, 산소로 이루어진 YBCO(초전도체)를 사용하여 수 나노미터 두께의 얇은 나노선을 제작했습니다. 이러한 구조가 전류를 전도할 때 '위상 미끄러짐'이라는 물리적 현상이 발생합니다. YBCO 나노선의 경우, 전하 운반체 밀도의 변동이 초전류의 변화를 일으킵니다. 연구진은 섭씨 영하 253도에 해당하는 20켈빈 이하의 온도에서 나노선 내부의 현상을 조사했습니다. 모델 계산과 결합하여 나노선 내 에너지 상태의 양자화를 입증했습니다. 나노선이 양자 상태에 진입하는 온도는 12~13켈빈으로, 일반적으로 사용되는 재료에 필요한 온도보다 수백 배 높은 온도입니다. 이를 통해 과학자들은 훨씬 더 긴 수명을 가진 공진기, 즉 특정 주파수에 맞춰 진동하는 시스템을 제작하고 양자 역학적 상태를 더 오랫동안 유지할 수 있었습니다. 이는 점점 더 커지는 양자 컴퓨터의 장기적인 개발에 필수적인 요소입니다.
양자 기술 개발뿐 아니라 잠재적으로 의료 진단에도 중요한 구성 요소는 단일 광자까지 감지할 수 있는 검출기입니다. 뮌스터 대학교의 카르스텐 슈크 연구팀은 수년간 초전도체를 기반으로 하는 이러한 단일 광자 검출기 개발에 매진해 왔습니다. 저온에서 이미 성공적으로 작동하는 이 기술을 고온 초전도체에서 구현하기 위해 전 세계 과학자들은 10년 이상 노력해 왔습니다. 이번 연구에 사용된 YBCO 나노와이어에서 이러한 시도가 처음으로 성공을 거두었습니다. 슈크 연구팀의 공동 저자인 마틴 볼프는 "이번 연구 결과는 실험적으로 검증 가능한 새로운 이론적 설명과 기술 개발의 길을 열어줍니다."라고 말했습니다.
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게시 시간: 2020년 4월 7일