IBM도 4년뒤나 해결한다는 양자컴 오류…국내서 '무오류' 후보소재 찾아

양자컴퓨터는 큐비트(연산단위)가 증가할수록 오류도 기하급수적으로 늘어난다. IBM 등은 오는 2029년께면 해결될 것으로 전망하고 있지만, 근본적인 해결책을 제시할 수 있을지는 두고 봐야한다. 그만큼 어렵기 때문이다.

국내 연구진이 이같은 양자컴퓨터의 오류를 근본적으로 해결할 무오류 양자컴퓨팅 소재를 발견했다. 아직은 가능성을 타진하는 후보물질 수준이지만, 양자학계가 비상한 관심을 갖고 예의주시 중이다.

연세대학교는 물리학과 김재훈 교수 연구팀이 2차원 반강자성체 물질에서 키타예프 스핀 액상(Kitaev Spin Liquid)의 특징을 발견했다고 3일 밝혔다.

연세대 김재훈 물리학과 교수(교신저자)와 정택선 박사후연구원(공동제1저자)

'키타예프 스핀 액상'은 러시아 물리학자 알렉세이 키타예프가 처음 제시한 이론적 모델이다. 2차원 육각격자 위에서 발현되는 양자 자성 상태를 말한다.

스핀(전자들의 자성)이 서로 일정하게 배열되지 않고, 마치 액체처럼 계속 요동치는 것이 특징이다.

연구진은 "이 액상 상태에서 비가환 애니온(Non-Abelian Anyon)이라는 특이한 입자가 나타나는데, 바로 이 입자가 위상 양자컴퓨터를 구현할 수 있는 핵심 요소로 최근 주목받고 있다"고 설명했다.

그러나 양자학계나 업계에서는 키타예프 스핀 액상을 완벽하게 구현하지 못해 연구 성과에 진척이 없었다. 일부 후보물질(α-RuCl₃, Na₂IrO₃ 등)을 중심으로 연구는 활발하다.

연세대 연구진은 이 답을 코발트 기반 육각격자 구조 물질(Cu₃Co₂SbO6)에서 찾았다. 본래 단일 상으로 합성이 어려운 물질이지만, 연구팀은 기판과의 이질 구조 켜쌓기(Heterostructure Epitaxy) 기술을 활용해 단결정 박막을 제작했다.

이를 통해 자기 감수율 측정 및 엑시톤(Exciton)의 외부 자기장에 따른 변화를 관측했다.

키타예프 양자 스핀 액체 후보 물질(Cu₃Co₂SbO6) 구조와 온도 및 자기장에 따른 스핀 상태을 보여주는 모식도. 그림 a는 각각 2차원 벌집 격자에서 나타나는 스핀 상호작용(왼쪽)과 빛에 의해 Cu+와 Co2/3Sb1/3O2- 층 사이에서 발생한 엑시톤을 보여준다. 그림 b는 온도(T)와 자기장(H) 변화에 따른 Cu₃Co₂SbO6 스핀 상태 변화를 보여준다. 닐 온 이상에서도 일정 온도(40K)까지 스핀 요동이 지속되는 비정상적인 상자성 상태가 나타나며, 이는 이 물질에서 양자 스핀 액체 상태가 발생한다는 증거라는 것이 연구진 설명이다.

그 결과, 스핀들이 특정 방향으로 쉽게 배열되지 못하고 서로 얽혀 제자리에서 쩔쩔매는 듯한 특성(Frustrated Spin)이 나타났으며, 엑시톤과 상호작용하는 과정에서 결합 방향과 빛의 편광 방향에 따라 달라지는 비등방적 반응이 관측되는 등 키타예프 상호작용의 특징이 확인됐다.

또한, 단거리 스핀 상관관계가 닐(Neel) 전이온도의 두 배 이상 온도와 외부 자기장 하에서도 유지됨을 밝혀냈다. 이는 'Cu₃Co₂SbO6'가 키타예프 스핀 액상 상태를 가질 수 있음을 강하게 시사한다는 것이 연구진의 설명이다.

이번 연구는 특히, 기존에 주로 연구되던 4d나 5d 전이금속이 아닌, 코발트 기반의 3d 전이금속에서도 키타예프 스핀 액상 상태가 발현될 수 있음을 처음으로 실험적으로 보여주었다는 점에서 큰 의미가 있다고 연구진은 부연설명했다.

김재훈 교수는 “키타예프 스핀 액상은 양자컴퓨팅에 활용될 수 있는 비가환 애니온이 출현할 수 있는 이상적인 물질 상태”라며, “무오류 양자 연산을 구현할 수 있는 새로운 플랫폼이 될 것”이라며 기대감을 나타냈다.