새로운 물질 상태인 '양자 스핀 액체'를 구현하면 양자 컴퓨터의 오류 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 국내 연구팀이 물질 구조를 제어해 양자 스핀 액체를 구현할 수 있다는 사실을 세계 최초로 확인했다.
울산과학기술원(UNIST)은 손창희 물리학과 교수팀과 김흥식 강원대 반도체물리학과 교수 공동연구팀이 코발트(Co)가 포함된 육각형 벌집 구조 산화물에서 양자 스핀 액체를 구현할 수 있는 실마리를 찾아냈다. 연구결과는 5일 국제학술지 '사이언스 어드밴시스'에 공개됐다.
일반적인 자석은 온도가 낮아지면 전자 스핀이 정렬된다. 물이 얼음이 되면서 물 분자들이 정렬되는 것과 비슷하다. 스핀은 전자의 물리량 중 전기적 성질인 전하 외에 특정 방향을 나타내는 고유한 자기적 성질이다.
양자 스핀 액체는 극저온에서도 물질의 전자 스핀이 정렬되지 않은 '액체 상태'를 유지하는 새로운 물질 상태다. 양자 스핀 액체에서는 '애니온'이라는 준입자가 나타나는데 애니온은 큐비트(Qubit)로 쓰일 가능성이 있다. 큐비트는 양자컴퓨터에서 쓰이는 정보의 단위다.
양자 스핀 액체는 1973년 처음 존재 가능성이 제안됐지만 그동안 구현이 어려웠다. 양자 스핀 액체를 구현할 수 있는 것으로 알려진 기존 후보물질들은 스핀 정렬을 억제하기 어려웠기 때문이다.
연구팀은 코발트 기반의 벌집 구조(honeycomb) 산화물(Cu3Co2SbO6)을 얇은 박막으로 제작하고 결정 구조 변형을 제어하는 데 성공했다. 물질 구조를 제어하며 스핀 정렬이 일어나는 온도를 증가 또는 감소시켰다. 물질의 구조를 조절하며 스핀 정렬을 억제해 양자 스핀 액체를 구현할 가능성을 확인한 것이다.
양자 스핀 액체로 구현한 양자 컴퓨터는 현재 방식의 양자 컴퓨터보다 오류가 적은 것으로 알려진 '위상 양자 컴퓨터'에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
손창희 교수는 "박막 구조가 양자 스핀 액체 후보 물질의 상호작용을 효과적으로 조절할 수 있다는 사실을 밝혔다"며 "양자 오류 정정이 필요 없는 위상 양자 컴퓨팅 구현할 수 있을 것"이라고 밝혔다.
