양자 컴퓨팅은 자연의 기본 법칙인 양자 역학의 두 가지 속성인 양자 간섭과 얽힘을 활용하여 전통적인 컴퓨팅 기술로 해결하기 어려운 문제를 해결할 수 있는 가능성을 열어주는 새로운 컴퓨팅 방식이다.
기존의 기술과 방식으로는 해결하기 어려운 사회, 경제적인 난제들을 해결하기 위한 새로운 대안으로 전세계 기업 및 기관들은 다양한 산업과 영역에서 신약 개발, 재료 과학 및 화학 분야의 양자 물리학 모델링, 네트워크, 보안, 인공지능(AI), 머신러닝 최적화 등에 연구를 가속하고 있다.
여기에, 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology) 양자정보물질연구소(Institute for Quantum Information and Matter, IQIM) 최준희 박사후 연구원을 비롯한 연구팀이 대규모 광양자 네트워크 개발을 위한 기반을 마련하는 데 도움이 될 수 있는 양자 저장(Quantum Storage Could) 방식을 개발했다.
새로운 시스템은 핵스핀(Nuclear Spins, 원자 핵의 각 운동량)이 스핀 파동으로 집합적으로 진동하는 방식에 의존한다. 이 집합적 진동은 정보를 저장하기 위해 여러 원자를 효과적으로 연결한다. 이 작업은 레이저에도 사용되는 희토류 원소인 이터븀(Ytterbium. 이하, yb) 이온으로 만든 양자 비트(또는 큐비트)를 활용한다.
캘리포니아 공대 응용물리학 및 전기공학부 안드레이 파라온(Andrei Faraon) 교수가 이끄는 연구팀은 이트륨(yttrium) 오르토바나데이트(orthovanadate, YVO4)의 투명한 결정에 이온을 삽입하고 광학 및 마이크로파 필드의 조합을 통해 양자 상태를 조작했다. 그런 다음 팀은 Yb 큐비트를 사용하여 결정에서 주변의 여러 바나듐 원자의 핵스핀 상태를 제어했다.
파라온 교수는 "이전 연구에 따르면 녹는점이 낮고 상업적으로 거의 사용되지 않는, 원자가가 2인 원소 이터븀 이온은 광학 양자 네트워크의 우수한 후보로 알려져 있었지만 추가 원자와 연결하고 이 작업을 통해 입증했습니다"라고 말했다.
이 장치는 캘리포니아 공대의 카블리 나노과학연구소(Kavli Nanoscience Institute)에서 제작된 다음 파라온 교수의 연구실에서 매우 낮은 온도에서 테스트 되었다. 얽힌 핵스핀을 양자 메모리(quantum memory)로 활용하는 새로운 기술은 핵자기 공명(NMR)에 사용되는 방법에서 영감을 받았다.
이 연구에서 공동 교신 저자인 캘리포니아 공대 IQIM 최준희 박사후 연구원은 "핵스핀에 양자 정보를 저장하기 위해 우리는 병원에서 사용되는 NMR(Nuclear Magnetic Resonance) 기계에 사용되는 것과 유사한 새로운 기술을 개발했습니다"라며, "핵심은 자기장이 없는 상태에서 작동하도록 하는 기존 기술을 적용하는 것이었습니다"라고 설명했다.
이 시스템의 고유한 특징은 결정격자에 의해 규정된 대로 이터븀 큐비트 주위에 바나듐(vanadium) 원자의 사전 결정된 배치다. 연구팀이 측정한 모든 큐비트는 동일한 메모리 레지스터를 가지고 있었는데, 이는 동일한 정보를 저장한다는 것을 의미한다.
이 연구의 제1저자인 대학원생인 안드레이 루스쿠크(Andrei Ruskuc)는 "기술을 재현 가능하고 안정적으로 구축하는 능력이 성공의 열쇠입니다"라며, "과학적 맥락에서 이것은 우리가 환경에서 이터븀 큐비트와 바나듐 원자 사이의 미세한 상호작용에 대한 전례 없는 통찰력을 얻을 수 있었습니다"라고 밝혔다.
이 연구는 미래 양자 네트워크의 기반을 마련하기 위한 연구팀의 광범위한 노력의 일부로 양자 네트워크는 고전적 수준이 아닌 양자 수준에서 작동하는 시스템을 통해 양자 컴퓨터를 연결하는 것이다.
이론적으로, 양자 컴퓨터는 언젠가 양자 비트가 1과 0으로 정보를 저장할 수 있도록 하는 중첩을 포함한 양자 역학의 특성을 활용하여 고전 컴퓨터보다 더 빠르게 특정 기능을 수행할 수 있다.
연구팀은 기존 컴퓨터에서 할 수 있는 것처럼, 데이터를 공유하고 함께 일하기 위해 여러 양자 컴퓨터를 연결할 수 있기를 원한다. 즉, '양자 인터넷'을 구현하는 것이다. 이것은 양자 컴퓨터 한 대가 처리할 수 없는 대규모 연산을 해결하는 능력뿐만 아니라 양자 암호학을 이용한 깨지지 않는 보안 통신을 포함한 여러 응용 프로그램에 대한 문을 열 것이라고 밝혔다.
한편, 이 연구 결과는 세계적인 학술지 ‘네이처(Nature-보기)’에 '고체 큐비트를 위한 핵 스핀파 양자 레지스터(Nuclear spin-wave quantum register for a solid-state qubit-다운)' 이란 제목으로 지난 16일(현지시간) 게재됐다.