과학자들은 실리콘 칩 내부에서 원자들이 서로 대화하도록 만들었습니다.

전자를 통해 적용된 기하학적 게이트를 통해 원격으로 얽힌 두 개의 핵 스핀을 표현한 예술가의 상상도. 출처: 토니 멜로프 / UNSW 시드니

UNSW 엔지니어들은 양자 컴퓨팅 분야에서 상당한 진전을 이루었습니다. 두 원자핵의 스핀을 이용하여 '양자 얽힘 상태', 즉 두 개의 개별 입자가 너무 깊이 연결되어 더 이상 독립적으로 행동하지 않는 상태를 만들어냈습니다. 이러한 얽힘 상태는 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 우위를 점하는 핵심 요소입니다.

이 연구는 9월 18일 과학 저널 '사이언스' 에 게재되었으며, 21 세기 의 가장 흥미로운 과학 및 기술적 과제 중 하나인 대규모 양자 컴퓨터를 구축하는 데 중요한 단계입니다.

주저자인 홀리 스템프 박사는 이번 성과가 기존 기술과 제조 공정을 사용하여 양자 컴퓨팅에 필요한 미래의 마이크로칩을 제작할 수 있는 잠재력을 열어준다고 말했습니다.

그녀는 "우리는 현재 표준 실리콘 전자 장치가 제작되는 규모에서 가장 깨끗하고 가장 고립된 양자 객체가 서로 통신할 수 있도록 하는 데 성공했습니다."라고 말했습니다.

양자 컴퓨터 엔지니어들이 직면한 과제는 두 가지 상반된 요구, 즉 컴퓨팅 요소를 외부 간섭과 잡음으로부터 보호하는 동시에 의미 있는 계산을 수행할 수 있도록 상호 작용할 수 있도록 하는 요구 사이의 균형을 맞추는 것이었습니다. 이것이 바로 최초의 양자 컴퓨터가 되기 위한 경쟁에 여전히 수많은 하드웨어가 존재하는 이유입니다. 어떤 하드웨어는 빠른 연산을 수행하는 데 매우 뛰어나지만 잡음에 취약하고, 어떤 하드웨어는 잡음으로부터 잘 보호되지만 작동 및 확장이 어렵습니다.

UNSW 연구팀은 오늘날까지 두 번째 진영에 속할 수 있었던 플랫폼에 투자했습니다. 그들은 실리콘 칩에 이식된 인 원자의 핵 스핀을 이용하여 양자 정보를 암호화했습니다.

UNSW 전기공학 및 통신대학원의 안드레아 모렐로 사이언티아 교수는 "원자핵의 스핀은 고체 상태에서 찾을 수 있는 가장 깨끗하고 고립된 양자 객체입니다."라고 말했습니다.

지난 15년 동안 저희 그룹은 이 기술을 양자 컴퓨팅 경쟁에서 진정한 경쟁자로 만들어준 모든 획기적인 발전을 선도해 왔습니다. 우리는 이미 양자 정보를 30초 이상, 즉 양자 세계에서는 영원과 같은 시간 동안 보관하고 1% 미만의 오류율로 양자 논리 연산을 수행할 수 있음을 입증했습니다.

"우리는 실리콘 장치에서 이를 세계 최초로 달성했지만, 그 모든 것에는 대가가 따랐습니다. 원자핵을 깨끗하게 만드는 것과 같은 분리가 대규모 양자 프로세서에서 원자핵을 연결하는 것을 어렵게 만듭니다."

지금까지 여러 개의 원자핵을 작동시키는 유일한 방법은 고체 내부에 매우 가깝게 배치하고, 하나의 동일한 전자로 둘러싸는 것이었습니다.

"대부분의 사람들은 전자를 가장 작은 아원자 입자로 생각하지만, 양자 물리학은 전자가 공간에 '퍼질' 수 있는 능력을 가지고 있어 여러 원자핵과 상호작용할 수 있다고 말합니다." UNSW에서 이 연구를 수행하고 현재 보스턴 MIT에서 박사후 연구원으로 있는 홀리 스템프 박사의 말입니다.

"그렇더라도 전자가 퍼질 수 있는 범위는 상당히 제한적입니다. 게다가 같은 전자에 더 많은 핵을 추가하면 각 핵을 개별적으로 제어하는 ​​것이 매우 어려워집니다."

전자 '전화기'를 통해 원자핵과 대화하기

스템프 박사는 "비유적으로 말하자면, 지금까지 원자핵은 방음실에 놓인 사람들과 같다고 할 수 있다"고 말합니다.

"모두 같은 방에 있으면 서로 대화할 수 있고, 대화 내용은 아주 또렷하게 들립니다. 하지만 바깥 소리는 전혀 들리지 않고, 방 안에 들어갈 수 있는 사람의 수도 제한적입니다. 이런 대화 방식은 '확장'되지 않습니다.

"이 획기적인 기술 덕분에 마치 사람들에게 다른 방과 소통할 수 있는 전화기를 준 것과 같습니다. 모든 방은 여전히 ​​실내에서 조용하고 쾌적하지만, 이제 멀리 떨어져 있더라도 훨씬 더 많은 사람들과 대화할 수 있게 되었습니다."

'전화기'는 사실 전자입니다. 논문의 또 다른 저자인 마크 반 블랑켄슈타인은 아원자 수준에서 실제로 무슨 일이 일어나는지 설명합니다.

"두 전자는 공간으로 퍼져 나갈 수 있는 능력 덕분에 상당히 먼 거리에서도 서로 '접촉'할 수 있습니다. 그리고 각 전자가 원자핵에 직접 결합되어 있다면, 원자핵은 그 전자를 통해 서로 소통할 수 있습니다."

그렇다면 실험에 사용된 핵들은 얼마나 떨어져 있었을까요?

스템프 박사는 "우리 핵 사이의 거리는 약 20나노미터로, 인간 머리카락 굵기의 천분의 일 정도입니다."라고 말했습니다.

"별로 대단한 것 같지는 않지만, 생각해 보세요. 각 핵을 사람 크기로 축소한다면, 핵 사이의 거리는 시드니와 보스턴 사이의 거리와 거의 같을 겁니다!"

그녀는 현대의 실리콘 컴퓨터 칩이 개인용 컴퓨터와 휴대전화에서 작동하도록 일반적으로 제조되는 크기는 20나노미터라고 덧붙였습니다.

지금 여러분의 주머니나 가방에는 수십억 개의 실리콘 트랜지스터가 들어 있습니다. 각각의 크기는 약 20나노미터입니다. 이것이 바로 우리의 진정한 기술적 혁신입니다. 가장 깨끗하고 고립된 양자 물체들이 기존 전자 장치와 동일한 규모로 서로 통신할 수 있게 된 것입니다. 이는 수조 달러 규모의 반도체 산업에서 개발된 제조 공정을 원자핵의 스핀을 기반으로 하는 양자 컴퓨터 구축에 적용할 수 있음을 의미합니다.

확장 가능한 미래 방식

실험의 독특한 특성에도 불구하고, 연구진은 이 장치들이 현재 모든 컴퓨터 칩의 제작 방식과 근본적으로 호환된다고 말합니다. 인 원자는 멜버른 대학교 데이비드 제이미슨 교수팀이 일본 게이오 대학교 이토 고헤이 교수가 제공한 초고순도 실리콘 슬래브를 사용하여 칩에 도입했습니다.

UNSW 팀은 원자핵이 동일한 전자에 결합될 필요성을 제거함으로써 원자핵 기반 실리콘 양자 컴퓨터의 확장을 가로막는 가장 큰 장애물을 제거했습니다.

"저희 방법은 놀라울 정도로 견고하고 확장성이 뛰어납니다. 이번에는 전자 두 개만 사용했지만, 앞으로는 전자를 더 추가하고 길쭉한 모양으로 만들어 핵을 더욱 넓게 퍼뜨릴 수도 있습니다."라고 모렐로 교수는 말합니다.

"전자는 쉽게 움직이고 '마사지'를 통해 형태를 만들 수 있기 때문에 상호작용을 빠르고 정확하게 켜고 끌 수 있습니다. 이것이 바로 확장 가능한 양자 컴퓨터에 필요한 것입니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250920214318.htm