이 간단한 자기 트릭은 양자 컴퓨팅을 영원히 바꿀 수 있습니다.

자기적 상호작용(빨간색과 파란색 화살표로 표시)을 활용하여 강력한 양자 특성을 가진 물질을 만드는 새로운 전략을 보여주는 그림입니다. 작은 녹색 구체는 전자가 사슬을 따라 머물고 이동할 수 있는 지점을 나타냅니다. 특수 자성 원자(화살표가 있는 보라색 구체)는 파란색 구름으로 표시된 특정 지점에서 전자와 상호작용합니다. 이러한 상호작용은 보호된 경계 상태(녹색 구름)를 생성하여 양자 컴퓨터의 안정성을 높이고 잡음에 덜 민감하게 만들 수 있습니다. 출처: Jose L. Lado

양자 컴퓨터의 사회 진입은 현재 환경 교란에 대한 민감성 때문에 어려움을 겪고 있습니다. 스웨덴 찰머스 공과대학교, 핀란드 알토대학교, 헬싱키대학교의 연구진은 새로운 유형의 독특한 양자 물질과 자성을 이용하여 안정성을 확보하는 방법을 제시했습니다. 이 획기적인 기술은 양자 컴퓨터의 복원력을 크게 향상시켜, 실제로 양자 계산을 처리할 수 있을 만큼 견고하게 만드는 길을 열어줄 것입니다.

원자 수준에서 물리 법칙은 우리가 흔히 접하는 거대 세계의 법칙과는 다릅니다. 원자 수준에서 입자는 양자 물리 법칙을 따르기 때문에 동시에 여러 상태로 존재할 수 있으며, 고전 물리학에서는 불가능한 방식으로 서로 영향을 미칩니다. 이처럼 독특하면서도 강력한 현상은 양자 컴퓨팅과 양자 컴퓨터의 핵심이며, 양자 컴퓨터는 오늘날 기존의 슈퍼컴퓨터로는 해결할 수 없는 문제를 해결할 잠재력을 가지고 있습니다.

하지만 양자 계산이 실제로 사회에 도움이 되려면 물리학자들은 중요한 과제를 해결해야 합니다. 양자 컴퓨터의 기본 단위인 큐비트는 매우 정밀합니다. 온도, 자기장, 심지어 미세한 진동의 미세한 변화만으로도 큐비트는 양자 상태를 잃게 되고, 따라서 복잡한 계산을 안정적으로 수행할 수 있는 능력도 상실됩니다.

이 문제를 해결하기 위해 최근 몇 년간 연구자들은 물질의 기본 구조, 즉 위상수학에서 발생하는 이러한 교란과 잡음으로부터 더 나은 보호 기능을 제공하는 소재를 개발하는 가능성을 모색하기 시작했습니다. 큐비트에 사용되는 소재의 구조를 통해 발생하고 유지되는 양자 상태를 위상 여기(topological excitation) 라고 하며 , 다른 소재보다 훨씬 더 안정적이고 복원력이 뛰어납니다. 그러나 이러한 견고한 양자 상태를 자연적으로 뒷받침하는 소재를 찾는 것은 여전히 과제로 남아 있습니다.

새롭게 개발된 소재로 외부 충격으로부터 보호

찰머스 공과대학교, 알토 대학교, 헬싱키 대학교 연구팀은 견고한 위상 여기(topological excitation)를 보이는 큐비트용 새로운 양자 소재를 개발했습니다. 이 획기적인 성과는 소재 설계에 안정성을 직접 구현함으로써 실용적인 위상 양자 컴퓨팅을 실현하는 데 중요한 진전을 이뤘습니다.

"이것은 외부 교란에 노출되어도 양자 특성을 유지할 수 있는 완전히 새로운 유형의 특이한 양자 물질입니다. 실제로 양자 계산을 처리할 수 있을 만큼 견고한 양자 컴퓨터 개발에 기여할 수 있습니다."라고 찰머스 응용 양자물리학 박사후연구원이자 Physical Review Letters 에 게재된 이 연구의 주저자인 광쩌 첸(Guangze Chen)은 말했습니다.

'이색적인 양자 물질'은 극한의 양자 특성을 가진 여러 종류의 새로운 고체를 포괄하는 용어입니다. 이러한 특별한 복원력을 가진 물질을 찾는 것은 오랜 과제였습니다.

새로운 전략의 핵심은 자기력

전통적으로 연구자들은 전자의 스핀을 원자핵 주위의 운동 궤도와 연결하여 위상 여기를 생성하는 양자 상호작용 인 스핀-궤도 결합 에 기반한 잘 확립된 '레시피'를 따라왔습니다 . 그러나 이 '요소'는 비교적 드물기 때문에 이 방법은 제한된 수의 재료에만 적용될 수 있습니다.

이 연구에서 연구팀은 훨씬 더 흔하고 쉽게 구할 수 있는 요소인 자성을 이용하여 동일한 효과를 얻는 완전히 새로운 방법을 제시합니다. 자기적 상호작용을 활용하여 연구진은 위상 양자 컴퓨팅에 필요한 강력한 위상 여기를 설계할 수 있었습니다.

"우리 방법의 장점은 자성이 많은 재료에 자연적으로 존재한다는 것입니다. 이는 희귀한 향신료를 사용하는 대신 일상적인 재료로 베이킹하는 것과 같습니다."라고 광쩌 첸은 설명합니다. "이는 이전에 간과되었던 재료를 포함하여 훨씬 더 광범위한 재료에서 위상학적 특성을 탐색할 수 있다는 것을 의미합니다."

차세대 양자 컴퓨터 플랫폼을 위한 길을 열다

연구팀은 유용한 위상학적 특성을 가진 신소재의 발견을 가속화하기 위해 새로운 계산 도구도 개발했습니다. 이 도구는 재료가 위상학적 거동을 얼마나 강하게 나타내는지 직접 계산할 수 있습니다.

"이 접근법이 훨씬 더 많은 이색적인 소재의 발견에 도움이 되기를 바랍니다."라고 광쩌 첸은 말합니다. "궁극적으로는 현재 시스템을 괴롭히는 다양한 종류의 교란에 자연적으로 저항하는 소재를 기반으로 하는 차세대 양자 컴퓨터 플랫폼 개발로 이어질 수 있습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250816113508.htm