최근 이길호·이후종 포스텍 물리학과 교수팀이 그래핀을 이용한 고효율 양자얽힘을 구현해 새로운 양자통신소자 가능성을 열었다.

양자컴퓨터는 얽힘이나 중첩 같은 양자역학적인 현상을 활용해 연산을 처리하는 컴퓨터인데, 한번의 연산으로 여러 계산을 동시에 처리할 수 있어 정보처리능력이 우수하며 정보처리량이 늘어날수록 연산처리속도가 지금까지의 컴퓨터에 비해 기하급수적으로 빨라진다.

이런 양자컴퓨터를 구현하기 위해서는 입자 간 양자 역학적 상태얽힘 효율을 최대로 높여야 하는데, 포스텍 연구팀이 고효율 양자얽힘을 구현한 것이다.

연구팀은 양자얽힘을 유도하기 위해 겹층그래핀을 육방정계질화붕소 결정막으로 보호해 그래핀에서 무질서하게 산란되는 전자를 최소화했다.

또한 겹층그래핀을 수직으로 쌓고 이 두 개의 겹층그래핀 가장자리를 초전도물질로 연결한 양자얽힘 소자를 제작하는데 성공했다.

지금까지 양자얽힘을 유도하기 위해 여러 종류의 물리적 구조를 이용하는 연구들이 진행됐다.

예를 들면 레이저 광선으로 이온이나 원자를 조작하는 ‘이온 트랩’, 극저온에서 전기저항이 사라져 전력 손실 없이 전류가 흐르는 ‘초전도체’, 실리콘 등의 반도체에 전자가 지나가는 길을 제어하는 방법 등이다.

연구팀은 그래핀이 탄소로 이뤄진 현존하는 가장 얇은 도체이면서 구리나 실리콘보다 수백 배 더 전자를 잘 이동시키는 점에 주목했다.

겹층그래핀 사이의 간격을 초전도 결맞음 길이보다 훨씬 얇게 하고 겹층그래핀의 특이한 밴드구조를 이용해 양자얽힘 현상과 함께 일어나는 부수 현상들을 효과적으로 차단해 순수한 양자얽힘 효율을 획기적이로 향상했다.

2차원 물질을 수직으로 쌓아 다양한 기능성을 실현하는 소자 개발이 경쟁적으로 이뤄지고 있는 가운데 이번 연구는 2차원 물질인 겹층그래핀과 초전도를 결합시켜 기존 초전도 전자쌍의 양자얽힘 효율을 향상시켰다는 점에서 주목을 모으고 있다.

이 연구팀은 지난 수년에 걸쳐 학계에서 높은 관심을 받았던 그래핀과 초전도를 접합시킨 조셉슨 접합에 대한 연구로도 국제적인 주목을 받았으며 이는 이번 후속 연구의 근간이 됐다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 선도연구센터지원사업과 삼성미래기술육성재단의 지원으로 수행됐으며 연구성과는 미국화학회 국제학술지 ‘나노 레터스’ 최신호를 통해 발표됐다.