양자기술로 기존 반도체 소자보다 빠르게 정보 처리가 가능한 양자소자를 구현할 가능성을 국내 연구진이 제시했다.
대구경북과학기술원(DGIST)은 조창희 화학물리학과 교수 연구팀이 양자 복합 입자 ‘폴라리톤’의 진동을 결정 구조의 변화로부터 유도된 전기적 특성 변화를 이용해 정밀하게 조절하는 데 성공했다고 3일 밝혔다. 복잡한 외부 장치 없이 양자 입자의 성질을 제어할 수 있음을 입증하며 양자소자의 상용화 가능성을 높였다는 평가다. 연구성과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스’에 지난달 게재됐다.
양자소자는 양자컴퓨터, 양자통신, 양자센서 구현에 필요한 핵심기술이다. 양자소자의 성능은 양자 입자를 얼마나 정확하게 만들고 조절하 수 있는지에 달렸다. 최근에는 빛으로 양자 입자를 조절하는 ‘광 기반 양자소자’ 연구가 주목받고 있다. 여기에 널리 쓰이는 입자가 폴라리톤이다.
폴라리톤은 전자의 움직임에서 만들어지는 엑시톤이라는 상태와 광자(빛 입자)가 결합해 만들어진 복합 입자다. 빛처럼 빠르면서도 전자처럼 서로 영향을 주고받을 수 있는 특성을 가진다. 이 입자의 진동은 양자 정보를 주고받는 속도와 직접적으로 연결된다. 폴라리톤의 진동을 조절할 수 있어야 양자소자를 구현할 수 있는 것이다. 하지만 이 같은 진동 조절은 아직 고난도 기술로 꼽힌다.
연구팀은 페로브스카이트라는 신소재를 활용했다. 이 소재는 물이 온도에 따라 얼음이나 수증기로 상태를 바꾸듯 결정 구조가 외부 요인에 따라 달라지는 ‘상전이 특성’을 갖는다. 특히 특정 구조에서는 물질 내부에 전기가 흐르지 않아도 자발적인 전기적 방향성을 띠는 강유전성을 갖는다. 이 같은 특성이 폴라리톤의 양자 특성에도 영향을 미친다.
연구팀은 페로브스카이트 기반 미세 공진기 구조를 설계하고 이 소재 특성의 변화가 폴라리톤의 진동에 영향을 준다는 사실을 실험으로 입증했다. 페로브스카이트 결정 상태를 조절함으로써 폴라리톤의 진동 세기를 약 20%까지 조절할 수 있었다. 결정 구조를 바꾸는 방식으로 조절이 가능하다는 점에서 향후 상온에서 작동하는 실용적이고 비용 효율적인 양자 소자 구현으로 이어질 가능성도 높다고 연구팀은 기대했다.
조 교수는 “폴라리톤을 단순히 생성하는 데서 나아가 강유전성이라는 실용적인 방법으로 그 세기와 특성을 조절할 수 있다는 점에서 의미가 있다”며 “양자소자의 제어 기술이 발전함에 따라 양자컴퓨터나 통신 장비 등 다양한 양자 기반 기술의 실용화가 한층 앞당겨질 수 있을 것”이라고 말했다.
< 저작권자 ⓒ 서울경제, 무단 전재 및 재배포 금지 >
sookim@sedaily.com
