원자의 전자 이동경로를 쪼개면 두 길을 동시에 지나는 양자 중첩현상이 나타나고, 이런 특성을 정보처리에 활용하면 큐비트를 만들 수 있다.
단일전자 큐비트는 이론상 작은 면적에 수십 개를 구현할 수 있어 양자컴퓨팅 규모를 확장할 기술로 주목받고 있다.
그러나 전자는 외부환경에 민감하기 때문에 양자상태를 구현하기 어렵고, 다른 전자와의 상호작용으로 에너지 상태가 불안정해 양자 성질을 잃기 쉽다.
단일전자 에너지 제어기술
한국표준과학연구원(KRISS)이 단일전자의 에너지를 원하는 형태로 제어하는 기술을 개발했다. 이 기술은 양자정보 정확도 향상과 양자컴퓨터 성능 개선에 활용될 수 있을 전망이다.
KRISS 양자소자그룹 연구팀은 에너지 필터를 이용해 단일전자의 에너지 형태를 원하는 대로 제어하고, 전자의 불안정성을 줄일 수 있는 기술을 개발했다.
연구팀은 요리에 사용하는 채처럼 일정 크기 이상의 에너지를 갖는 전자만 통과하고 나머지는 반사하는 전도성 에너지 필터를 구상했다.
실제 양자점에서 단일전자를 생성한 후 양자포인트 접합(QPC)에 전압을 가해 에너지 필터를 형성, 고에너지 전자만 선택적으로 통과시켜 전자의 에너지 불확도를 절반 이상 낮추는 데 성공했다.
이 기술은 필요한 에너지 분포를 제거하고 특정 에너지 범위 내에서만 전자를 조작할 수 있어 전자의 양자현상을 더 안정적으로 구현하고, 외부 환경과 다른 전자 간 상호작용도 최소화할 수 있어 고성능 큐비트와 단일전자 기반 양자정보처리기술 개발에 널리 활용될 것으로 기대된다.
이와 함께 연구팀은 에너지 필터로 제어한 단일전자의 형태를 2차원 그래프 상에 시각화하는 기술도 개발했다.
이를 위해 연구팀은 에너지 필터를 통과하기 전과 후의 단일전자 형태를 위그너 분포로 비교하는 방식을 고안했다.
위그너 분포는 전자의 양자 상태를 시간과 에너지 간 함수로 변환해 시각적으로 분석하는 것으로, 이번 연구에서 연구팀은 단일전자의 에너지 변화를 위그너 분포로 비교하고 디지털신호로 변환해 정밀 분석하는 기술을 개발했다.
이를 통해 조건에 따라 변화하는 단일전자의 시간-에너지 정보를 디지털 2차원 그래프로 직관할 수 있어, 기존 실험에서 놓쳤던 단일전자의 양자 특성을 세밀하게 파악할 수 있게 됐다.
배명호 KRISS 책임연구원은 “이번 성과는 단일전자를 기반으로 한 양자정보기술의 실질적 응용 가능성을 한층 높이는 데 기여할 것”이라고 설명했다.
한편, 이번 연구는 전북대 김주진 교수, KAIST 심흥선 교수, KIST 송진동 책임연구원이 협력했고, 연구결과는 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 게재됐다.
