속도 상상 초월 … 양자컴퓨터 핵심기술 첫 개발

‘꿈의 컴퓨터’라는 양자컴퓨터를 만들 수 있는 핵심 원천기술이 해외 한국인 과학자들에 의해 세계 처음 개발됐다. 이에 따라 상상하기 힘들 정도로 빨리 계산해낸다는 양자컴퓨터의 연구에 획기적인 돌파구가 열렸다.

미국 실리콘밸리 IBM 알마덴연구소의 양시훈(42·사진 왼쪽) 박사와 싱가포르 국립싱가포르대학 전자공학과 양현수(35·오른쪽) 박사팀은 양자컴퓨터의 핵심 기본단위인 큐빗(Qubit)에 쓰이는 ‘전자 스핀(Spin)’의 수명을 기존 기술보다 100만 배로 늘리는 데 성공했다고 6일 밝혔다. 연구 논문은 영국의 세계적 과학학술지 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’ 7일자 온라인 판에 실렸다.

큐빗은 전자의 전하와 함께 그 전자 하나하나가 지닌 자석 같은 성질인 ‘스핀’이 서로 얽히거나 중첩된 양자 상태를 통칭한다. 반도체는 반도체 내 각 정보 저장 공간에 전류가 흐르면 디지털 정보 ‘1’, 흐르지 않으면 ‘0’으로서 두 가지 정보만 기록한다.

이에 비해 큐빗은 스핀으로 인한 다양한 양자 상태가 가능하기 때문에 처리하는 정보의 수가 천문학적으로 늘어난다. 이에 따라 큐빗을 활용해 컴퓨터 중앙처리장치(CPU)를 만들면 처리 속도가 기하급수적으로 빨라지고, 기억소자를 만들면 그 용량이 폭발적으로 증가한다.

양자컴퓨터는 큐빗을 다루는 기술이 그 핵심이다. 그중에서도 한번 고정해 놓은 스핀의 N·S극(북·남극) 방향이 얼마나 오랫동안 유지되게 하느냐 하는 것, 즉 ‘스핀의 수명’을 늘리는 것이 관건이었다. 스핀의 수명이 짧으면 저장된 정보가 재빨리 사라져버리기 때문이다.

종전 기술로는 그 수명이 20억분의 1초에 불과했다. 연구진은 이를 약 100만 배 이상으로 늘리는 데 성공했다. 시간적으로 아주 짧지만 정보를 한 번 읽어내는 데 걸리는 시간이 10억분의 몇 초밖에 되지 않는다는 점을 감안하면 매우 긴 시간이다. 기존 반도체에서 정보를 읽거나 저장할 때 10억분의 1~1억분의 1초가 걸린다.

이렇게 수명을 늘리는 방법으로, 알루미늄 박막을 섭씨 영하 272도의 액체 헬륨으로 얼려 초전도체로 만들었다(그림 참조). 그런 다음 초전도체가 된 알루미늄 박막 주위를 산화마그네슘으로 감쌌다. 초전도체는 자석에 약한데, 스핀을 주입할 때 사용하는 자석의 자력을 막기 위해서다. 이어 초전도체 알루미늄 박막에 스핀을 집어넣자 스핀조차 얼어붙다시피 해 외부의 자극에 둔감해지고, 스핀의 N과 S극의 방향도 오랫동안 유지했다.

양자컴퓨터의 실용화는 극복해야 할 난제가 많아 앞으로도 긴 시일이 걸릴 전망이다.

박방주 과학전문기자

☞◆양자컴퓨터(Quantum Com­puter)=양자(量子)는 더 이상 나눌 수 없는 에너지의 최소 단위다. 양자컴퓨터는 양자역학에 기반한 연산법을 사용한다. 1982년 미국의 이론물리학자인 리처드 파인먼에 의해 처음 고안됐다. 기존의 컴퓨터가 한 번에 한 단계씩 계산할 수 있지만 양자컴퓨터는 한 번의 조작으로 여러 계산을 동시에 진행할 수 있다.

◆전자의 스핀=전자(電子)는 전기적 성질을 띠지만 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전(스핀·Spin)하기도 한다. 이때는 자석의 성질도 나타난다. 그 자석의 N극 또는 S극의 방향을 인위적으로 조절하며 정보를 저장한다.

◆큐빗(Qubit)=기존 컴퓨터가 0과 1의 비트(bit)를 기본으로 움직이는 데 비해 양자컴퓨터는 0과 1의 중첩된 상태인 큐빗을 단위로 한다. 큐빗 수가 늘어날수록 양자컴퓨터의 능력은 ‘지수적’으로 급증한다.