양자 위상 다이얼 조정하기

양자 컴퓨팅은 신약 개발부터 암호학에 이르기까지 다양한 분야를 혁신할 것으로 오랫동안 기대를 받아왔지만, 신뢰할 수 있는 양자 하드웨어를 구축하는 일은 극도로 어려운 과제임이 입증되어 왔다. 가장 각광받는 핵심 구성 요소 중 하나인 위상 초전도체는 특히 실현하기 어려운 존재였다. 이제 한 연구팀이 이 이색적인 물질을 생성하는 놀랍도록 간단한 방법을 시연하며, 양자 컴퓨터 개발의 주요 병목 현상을 해소할 가능성을 열었다.

핵심 통찰은 겉으로는 단순해 보이는 조정에 있다. 바로 초박막 결정 필름에서 텔루륨과 셀레늄의 정확한 비율을 바꾸는 것이다. 연구진은 이 화학적 조성을 세밀하게 조율함으로써 물질 내 전자 상호작용을 체계적으로 제어할 수 있었으며, 다양한 양자 위상을 거쳐 위상 초전도 상태에 도달하는 데 성공했다.

이 결과가 중요한 이유는 위상 초전도체가 Majorana 페르미온이라 불리는 특수한 양자 여기를 품고 있기 때문이다. Majorana 페르미온은 자기 자신이 반입자인 입자다. 이 이색적인 준입자는 이론적으로 기존 양자 비트를 괴롭히는 많은 교란에 면역성을 지니고 있어, 유용한 계산을 수행하기에 충분한 결맞음을 유지할 수 있는 내결함성 양자 컴퓨터 구축의 이상적인 후보로 꼽힌다.

위상 초전도체가 중요한 이유

이 발견의 중요성을 이해하려면 양자 컴퓨팅의 핵심 과제인 디코히어런스를 생각해볼 필요가 있다. 양자 비트, 즉 qubit은 주변 환경에 극도로 민감한 양자 상태에 정보를 인코딩한다. 아주 작은 진동, 온도 변화, 또는 전자기 노이즈만으로도 qubit은 양자 특성을 잃어 오류가 빠르게 누적되고 계산을 무의미하게 만들 수 있다.

현재의 양자 컴퓨터는 오류 수정을 통해 이 문제를 해결한다. 즉, 많은 물리적 qubit을 사용해 하나의 논리적 qubit을 인코딩하고 오류를 지속적으로 모니터링하고 수정하는 방식이다. 이 접근법은 효과가 있지만 자원 소모가 극심하다. 오늘날 가장 앞선 양자 프로세서는 실제 계산보다 오류 수정에 qubit의 대부분을 할애하고 있다.

위상 qubit은 근본적으로 다른 접근법을 제시한다. 지속적으로 수정해야 하는 불안정한 양자 상태에 정보를 인코딩하는 대신, 위상 qubit은 Majorana 페르미온 쌍의 전체적 특성에 정보를 저장한다. 이러한 특성은 국소적 교란에 본질적으로 보호되어 있다. 마치 줄을 흔들기만 해서는 풀 수 없는 매듭과 같다. 이 위상적 보호는 오류 수정에 필요한 부담을 극적으로 줄여 실용적인 양자 계산을 훨씬 더 실현 가능하게 만들 수 있다.

텔루륨-셀레늄 발견

연구팀은 표면에서는 전기를 전도하지만 내부는 절연체인 위상 절연체로 잘 알려진 비스무트-텔루라이드 계열 물질의 박막을 연구했다. 셀레늄 원자로 텔루륨 원자를 점진적으로 대체하면서 조성을 세밀하게 제어해 박막을 성장시킨 결과, 연구진은 물질의 전자적 특성이 어떻게 변하는지를 도식화할 수 있었다.

그들이 발견한 것은 특정 조성 비율에서 물질 내 전자 간 상호작용이 위상 전이를 겪는다는 점이었다. 전자들이 쌍을 이루기 시작하면서 전기 저항이 없는 초전도성과 디코히어런스에 대한 보호를 제공하는 수학적 성질인 위상 질서가 동시에 나타났다.

결정적으로, 이 전이는 이전의 위상 초전도성 연구 방법들을 제한했던 극도의 압력, 특수 기판, 재현하기 어려운 조건 없이 조성 제어만으로 달성할 수 있었다. 박막은 반도체 산업에서 널리 활용되는 확립된 기술인 분자빔에피택시(molecular beam epitaxy)로 성장시켰으며, 이는 양산이 비교적 용이할 수 있음을 시사한다.

분야의 이전 과제들

위상 초전도체 탐색은 응집 물질 물리학에서 가장 치열하고 때로는 논란이 많았던 분야 중 하나였다. 2018년, 반도체 나노선에서 Majorana 페르미온을 관측했다고 주장한 Nature의 주목받는 논문이 다른 연구자들이 결과를 재현하지 못하자 철회되었다. 이 사건은 분야 전체에 그늘을 드리웠고, 설득력 있는 증거의 기준을 높이는 결과를 낳았다.

다른 접근법들은 복잡한 헤테로구조에서 서로 다른 물질을 적층하거나, 강한 자기장을 인가하거나, 안정적으로 합성하기 어려운 물질을 사용하는 방식을 취해왔다. 여러 방면에서 진전이 이루어졌지만, 대규모 양자 소자 제작에 필요한 견고한 위상 초전도성과 실용적 제조 가능성을 동시에 충족하는 접근법은 아직 없었다.

새로운 조성 조율 방법은 바로 그 단순함 때문에 매력적이다. 복잡한 다층 구조를 설계하거나 극한 조건에서 작업하는 대신, 연구진은 단일 물질 시스템이 잘 제어된 화학 변수를 통해 원하는 양자 상태로 부드럽게 조율될 수 있음을 입증했다.

실험실에서 양자 컴퓨터로

이 발견이 실제 양자 하드웨어로 전환되기까지는 상당한 과제가 남아 있다. 위상 초전도 상태는 초전도 물질에서 전형적으로 나타나듯 매우 낮은 온도에서 관측되었다. 이 박막에서 Majorana 페르미온의 실제 생성과 조작을 시연하고, 위상 양자 계산에 필요한 비아벨 브레이딩 통계를 나타낸다는 것을 보이려면 추가 실험이 필요하다.

그럼에도 불구하고, 이 연구는 의미 있는 진전을 나타낸다. 텔루륨-셀레늄 박막은 위상 초전도성을 연구하기 위한 조율 가능하고 재현 가능한 플랫폼을 제공함으로써, 실험물리학자들에게 위상 양자 컴퓨팅의 기반이 되는 물리학을 탐구할 새로운 도구를 제공한다. 또한 기존 박막 성장 기술과의 호환성 덕분에 다른 연구 그룹들도 해당 물질을 손쉽게 제조할 수 있어 발견의 속도가 빨라질 것이다.

실용적이고 내결함성을 갖춘 기계를 추구하는 데 수십억 달러를 투자한 양자 컴퓨팅 산업에서, 위상 qubit을 현실에 한 걸음 더 가깝게 만드는 어떠한 진전도 주목할 가치가 있다. 이 화학적 조정은 작아 보일 수 있지만, 양자 물질의 세계에서는 가장 단순한 변화가 가장 심오한 결과를 낳는 경우가 있다.

이 기사는 Science Daily의 보도를 바탕으로 작성되었습니다. 원문 기사 읽기.