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“꿈의 소립자” 양자계산의 핵심 -- 교토대학 등 입자 존재 입증
  • 카테고리미래기술,전망/첨단산업
  • 기사일자 2018.9.4
  • 신문사 일경산업신문
  • 게재면 16면
  • 작성자hjtic
  • 날짜2018-09-11 16:59:00
  • 조회수517

Start Up Innovation / Science
“꿈의 소립자” 양자계산의 핵심
교토대학 등 입자 존재 입증

외부 노이즈에 강하며 원리적인 계산 에러가 적다고 하는 ‘토폴로지컬(Topological) 양자컴퓨터’의 실현을 향한 연구가 활기를 띠고 있다. 이 양자계산에는 ‘꿈의 소립자’로 불리는 마요라나 입자(Majorana particle)를 사용한다. 미국 마이크로소프트가 연구를 리드하는 한편, 교토대학 등의 그룹이 마요라나 입자의 존재를 처음으로 실증 하는 등 성과가 잇따르고 있다.

-- 동작 온도가 높은 것이 강점 --
일반 컴퓨터가 0과 1 중 어느 하나의 값을 취하는 ‘비트’를 이용해 계산하는 것에 비해, 양자컴퓨터는 0과 1을 임의로 조합한 상태를 취하는 ‘양자비트’를 이용해 계산. 데이터가 동시에 복수의 상태가 되는 ‘경첩’을 활용함으로써 방대한 계산을 순식간에 풀어낸다. 여러 방식이 연구되고 있는 양자컴퓨터 중에 원리적으로 계산 에러가 적다고 알려진 것은 토폴로지컬 양자컴퓨터이다.

계산에는 마요라나 입자로 불리는 특수한 입자가 이동할 때 세계선(世界線)으로 불리는 끈과 같은 궤적을 그린다. 여기에서 입자를 교체하면 끈의 코가 1개 만들어진다. 이것을 반복하여 만들어진 ‘매듭’의 짜임 방식에 의해 계산 결과를 얻을 수 있다.

-- 외부 영향에 내성 --
이 매듭의 형태(토폴로지)는 주위의 전기적, 또는 자기적인 영향을 거의 받지 않는다는 이점이 있다. 다른 양자컴퓨터에서는 계산에 사용하는 양자비트가 외부 환경의 영향으로 망가져 계산을 못하게 되는 것이 문제가 되고 있다. 토폴로지컬 양자컴퓨터는 그런 과제를 극복할 수 있는 가능성이 있다.

토폴로지컬 양자컴퓨터에 사용하는 마요라나 입자는 입자와 반입자가 동일하다는 성질을 가진다. 약 80년 전에 이탈리아의 물리학자인 마요라나가 그 존재를 예언했으나 실제로는 찾지 못했으며 소립자 물리학 분야에서 오랫동안 ‘꿈의 입자’로 불려졌다.

7월, 교토대학과 도쿄대학, 도쿄공업대학의 연구 그룹은 마요라나 입자의 존재를 실증하는 것에 성공했다고 발표했다. 확인한 것은 평상시의 입자가 아닌, 주위 전자의 상태에 영향을 받아 입자와 같은 움직임을 보이는 ‘준(準)입자’로 불리는 것이다. 가상의 입자이지만, 이것을 제어해 양자계산에 사용할 수 있다.

이번에 해당 연구 그룹이 마요라나 입자의 존재를 확인한 것은 염화 루테늄(Ruthenium)이라는 벌집모양의 구조를 한 절연체이다. 일반적인 물질은 온도가 내려가면 내부의 전자 자석으로서의 성질을 갖고 있는 ‘스핀’이 정렬되지만, 이 물질은 절대영도에서도 스핀이 정렬되지 않고 액체처럼 뿔뿔이 흩어지게 된다.

“이런 특수한 전자 스핀의 상태가 복수의 마요라나 입자로 분열되었다”(가사하라 교토대학 조교수)라고 한다. 연구팀은 절대온도 5도라는 비교적 높은 온도에서 현상을 확인했으며 고온에서도 가동되는 토폴로지컬 양자컴퓨터 실현에 길을 열기 위해 노력하고 있다.

-- 발견 경로를 다양하게 --
해당 그룹이 이번 성과를 올린 물질과 함께, 토폴로지컬 초전도체라는 물질이 마요라나 입자의 탐색에서 유망 시 되어왔다. 이 물질의 내부에는 전기 저항이 없는 평소의 초전도물질의 성질을 가지고 있는 반면, 표면이나 엣지(모서리)에서는 마요라나 입자가 만들어진다고 한다.

도쿄대학 물성연구소 그룹은 철 계통의 초전도물질로 잘 알려져 있는 물질이 가장 바깥쪽 표면에서 토폴로지컬 초전도 성질을 가지고 있다는 것을 실험을 통해 확인했다. 해당 물질은 절대온도 15도라는 비교적 높은 온도에서 움직이기 때문에 양자비트 재료에 사용할 수 있을 가능성이 높다고 보고 있다.

또한 도쿄대학과 이화학연구소, 오사카대학 등으로 구성된 그룹은 토폴로지컬 절연체(표면만 전기가 통하는 물질)와 초전도 물질인 금속(나이오븀)을 접합시킨 시료를 통해 토폴로지컬하게 보호된 초전도 상태로 연결시키는 것에 성공했다.

토포로지컬 양자컴퓨터의 연구에서 세계를 리드하고 있는 것은 미국의 마이크로소프트이다. 수학의 노벨상인 필즈상을 수상한 토폴로지 연구의 대가인 마이클 프리드먼 팀을 연구진으로 영입해 연구를 추진하고 있다.

마이크로소프트는 지금까지 극저온에서 작동하는 1양자비트(큐비트)로 토폴로지컬 양자컴퓨터의 실험을 시행하고 있다고 공표하고 있다. 별도의 방식인 ‘양자 게이트 방식’의 양자컴퓨터에서 IBM 등이 급속도로 성과를 내고 있는 것처럼 마이크로소프트도 향후 빠르게 연구 성과를 낼 가능성이 있다.

 -- 끝 --

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