한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)과 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형)이 양자정보기술에 활용할 수 있는 새로운 방식의 단일 전자원을 개발했다. 기존 방식 대비 연구비용과 시간을 절감하면서 더 우수한 성능을 구현할 수 있어 국내 양자컴퓨팅과 양자정보기술 발전을 가속할 전망이다.

▲ KRISS-KAIST 공동연구팀, (좌측부터) KRISS 서민기 책임연구원, KAIST 박완기 박사과정생, KRISS 김범규, 배명호, 김남 책임연구원

단일 전자원은 반도체 소자를 이용해 전자 입자를 하나씩 내보낼 수 있는 장치다. 양자정보기술이나 양자컴퓨팅에 필요한 양자 상태를 구현하기 위해서는 이처럼 독립적인 입자를 제어할 수 있어야 한다.

그간 단일 전자원은 전류의 단위인 암페어(Ampere)의 정의를 구현하기 위해 개발돼왔지만, 움직이는 입자를 기반으로 하는 양자기술 연구는 단일 전자가 아닌 단일 광자(single photon)를 활용한 방식이 주를 이뤘다. 기존의 단일 전자원은 사용되는 에너지가 너무 높거나 낮아 양자 현상을 관측하거나 전자와 정공*을 분리하기 어렵기 때문이다.

* 정공(hole): 전자들로 채워져야 할 곳에 전자의 부족으로 생기는 구멍으로, 양의 전하를 띈 전자처럼 움직임

▲ 공동연구팀이 개발한 단일 전자원과 출력된 전류 지도

▲ 이차원 반도체를 활용한 단일 전자원 개발 과정

이번에 개발한 단일 전자원은 이차원 화합물 반도체에 전기장을 가해 양자우물을 만든 뒤, 양자우물에 흡수된 전자를 에너지 필터를 거쳐 일정한 시간 간격으로 원하는 채널에 내보내는 원리다. 기존 단일 전자원들의 장점만을 결합해 복잡한 테크닉이나 고가의 장비 없이도 양자컴퓨팅·양자정보기술에 활용할 수 있다.

이차원 반도체 기반의 단일 전자원을 양자기술에 접목하면 단일 광자원을 활용하는 양자 광학에 비해 상대적으로 양자 상태를 제어하기 쉽다. 또한 확장성과 집적성이 우수해 하나의 웨이퍼 위에 여러 개의 전자원을 붙이거나 작은 면적의 소자에 수십 개의 큐비트*를 구현할 수 있다. 양산을 위한 산업 인프라가 이미 갖춰져 있다는 것도 장점이다.

* 큐비트(qubit): 전자, 광자와 같은 기본 양자입자에 저장된 정보로, 양자암호통신과 양자컴퓨팅에서 사용되는 기본 정보 단위

▲ KRISS 배명호 책임연구원(좌)과 KAIST 박완기 박사과정생(우)이 단일 전자원 측정시스템으로 소자의 전기 특성을 측정하고 있다

KRISS 단일전자양자소자팀 배명호 책임연구원은 “이번 연구결과는 국내 양자컴퓨팅·양자정보기술 연구의 시간과 비용을 대폭 단축할 성과”라며, “단일 전자원을 양자컴퓨팅에 적용하면 초전도나 스핀을 이용한 양자컴퓨팅에 비해 연산속도가 월등히 빨라질 것”이라고 전망했다.

연구진은 이번에 개발한 단일 전자원을 활용해 양자정보기술의 핵심이 되는 큐비트 시스템을 구축할 계획이다.

과학기술정보통신부 선도연구센터사업과 KRISS 기본사업 등으로 수행한 이번 연구의 성과는 나노분야의 세계적 권위지인 나노 레터스(Nano Letters, IF : 12.262)에 11월 게재됐다.