영어: 고전 컴퓨터가 엄청난 노력을 기울이거나 전혀 해결할 수 없는 문제를 해결할 수 있는 양자 컴퓨터의 개발은 현재 전 세계적으로 점점 더 많은 연구팀이 추구하고 있는 목표입니다. 이유: 가장 작은 입자와 구조의 세계에서 비롯되는 양자 효과는 많은 새로운 기술 응용을 가능하게 합니다. 양자 역학의 법칙에 따라 정보와 신호를 처리할 수 있는 소위 초전도체는 양자 컴퓨터를 실현하는 데 유망한 구성 요소로 간주됩니다. 그러나 초전도 나노 구조의 걸림돌은 매우 낮은 온도에서만 작동하기 때문에 실제 응용 분야에 적용하기 어렵다는 것입니다. googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2′); });
뮌스터 대학교와 율리히 연구소(Forschungszentrum Jülich)의 연구진은 고온 초전도체, 즉 양자역학적 효과가 지배적인 온도 이하로 상승하는 초전도체로 만들어진 나노와이어에서 에너지 양자화라는 현상을 최초로 입증했습니다. 초전도 나노와이어는 정보 인코딩에 사용될 수 있는 선택된 에너지 상태만을 취합니다. 고온 초전도체에서 연구진은 정보 전달에 사용되는 빛 입자인 단일 광자의 흡수를 최초로 관찰했습니다.
"이번 연구 결과는 한편으로는 미래 양자 기술에서 상당히 단순화된 냉각 기술을 활용하는 데 기여할 수 있으며, 다른 한편으로는 아직 밝혀지지 않은 초전도 상태와 그 역학을 지배하는 과정에 대한 완전히 새로운 통찰력을 제공합니다."라고 뮌스터 대학교 물리학 연구소의 카르스텐 슈크(Carsten Schuck) 교수는 강조했습니다. 따라서 이 결과는 새로운 유형의 컴퓨터 기술 개발에 중요한 역할을 할 수 있습니다. 이 연구는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 저널에 게재되었습니다.
과학자들은 이트륨, 바륨, 산화구리, 산소 원소로 만들어진 초전도체, 즉 YBCO(Yttrium, Barium, Copper Oxide, Oxygen, Oxide)를 사용하여 수 나노미터 두께의 얇은 와이어를 제작했습니다. 이러한 구조로 전류가 흐르면 '위상 슬립(phase slip)'이라는 물리적 동역학 현상이 발생합니다. YBCO 나노와이어의 경우, 전하 캐리어 밀도의 변동으로 인해 초전류의 변화가 발생합니다. 연구진은 섭씨 영하 253도에 해당하는 20켈빈 이하의 온도에서 나노와이어의 현상을 조사했습니다. 모델 계산과 결합하여 나노와이어의 에너지 상태가 양자화됨을 입증했습니다. 와이어가 양자 상태에 도달하는 온도는 12~13켈빈으로, 일반적으로 사용되는 재료에 필요한 온도보다 수백 배 높은 온도였습니다. 이를 통해 과학자들은 특정 주파수에 맞춰진 공진기, 즉 훨씬 긴 수명을 가진 진동 시스템을 제작하고 양자 역학적 상태를 더 오랫동안 유지할 수 있었습니다. 이는 더욱 대형화된 양자 컴퓨터의 장기적인 개발에 필수적인 조건입니다.
양자 기술 개발뿐 아니라 잠재적으로 의료 진단 분야에서도 중요한 요소 중 하나는 단일 광자까지 감지할 수 있는 검출기입니다. 뮌스터 대학교 카르스텐 슈크(Carsten Schuck) 연구진은 초전도체 기반 단일 광자 검출기 개발을 위해 수년간 연구해 왔습니다. 저온에서 이미 잘 작동하는 이러한 현상을 전 세계 과학자들이 고온 초전도체에서도 10년 넘게 구현하고자 노력해 왔습니다. 이번 연구에 사용된 YBCO 나노와이어에서는 이러한 시도가 처음으로 성공했습니다. 슈크 연구진의 공동 저자인 마틴 볼프(Martin Wolff)는 "이번 연구 결과는 실험적으로 검증 가능한 새로운 이론적 설명과 기술 개발을 위한 길을 열어줍니다."라고 말했습니다.
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게시 시간: 2020년 4월 7일