양자컴퓨터 불안정성 극복하나… 옥스퍼드, 위상 초전도체 실험 첫 입증

옥스퍼드대학교 연구팀이 양자컴퓨터 상용화를 가로막는 '불안정성 문제'를 해결할 수 있는 실마리를 실험적으로 확인했다.

연구팀은 스스로 양자상태를 보호할 수 있는 특수물질의 존재를 확인했으며 이를 통해 양자컴퓨터의 안정성 확보 가능성을 보여줬다고 밝혔다.

2일 옥스퍼드 대학교 연구팀은 '우라늄 디텔루라이드(UTe₂)의 제로에너지 표면 상태 시각화를 통한 쌍파 함수 대칭'이라는 논문을 과학저널 사이언스에 게재했다고 밝혔다.

우라늄 디텔루라이드(UTe₂)의 위상 초전도성을 검사한 주사터널링현미경(STM)(사진=옥스포드대학교 데이비스 그룹)

이번 연구는 우라늄(U)과 텔루륨(Te)으로 이뤄진 우라늄 디텔루라이드라는 화합물이 위상 초전도체(topological superconductor)의 특성을 가지고 있다는 사실을 실험적으로 입증한 것이다.

연구원들은 논문을 통해 "해당 화합물을 관찰한 결과 양자상태를 외부로부터 지켜주는 독특한 전자쌍 구조를 가지고 있다"며 "이는 위상 초전도체가 갖춰야 할 조건을 충족한다는 것을 처음으로 실험적으로 확인했다"고 밝혔다.

위상 초전도체는 물질의 형태 변화나 외부 환경 변화에도 성질이 유지되는 위상학적 특성을 지닌다. 이 특성은 양자컴퓨터의 큐비트(qubit)를 외부 잡음이나 간섭으로부터 보호해 오류를 줄이는 데 유리하다는 평가를 받고 있다.

특히 그동안 위상 초전도체 특성을 만들기 위해 막대한 비용과 시간을 투자해 인위적인 환경을 구축해야 했다. 반면 우라늄 디텔루라이드는 자연상태에서 특성을 나타내고 있어 양자컴퓨팅 연구 개발에 더욱 적합할 것이란 평가다.

그동안 이런 특성을 가진 물질을 직접 관측하고 실험적으로 증명한 적은 거의 없었다. 대부분은 이론적 예측이거나, 인공적으로 비슷한 효과를 흉내 내는 복잡한 실험 구조에 불과했다.

마이크로소프트는 지난 2월 마요라나 준입자 기반 양자컴퓨팅 기술 '마요라나 1(Majorana 1)'을 공개하며 주목받았다. 하지만 함께 발표된 데이터가 마요라나 모드의 존재를 증명하기에는 부족하다는 일부 물리학자들의 지적도 제기됐다.

관련 업계에서는 이번 연구가 양자컴퓨터에 적합한 차세대 물질을 실험적으로 확인한 성과와 함께 이를 가능하게 한 초고해상도 전자 관측 장비의 유효성에 대해서도 주목하고 있다. 이 장비를 활용해 수많은 물질 후보들을 빠르게 스캔하고 양자컴퓨터에 적합한 지 판별할 수 있기 때문이다.

이번 연구를 수행한 옥스퍼드 물리학과의 세이머스 데이비스 교수는 "우리는 마침내 위상 초전도체를 확실히 식별할 수 있는 도구를 갖게 됐다"며 "이건 물리학의 오래된 숙제를 푸는 열쇠이자, 양자컴퓨팅이라는 새로운 세상을 여는 첫 걸음이 될 것"이라고 설명했다.