원자에 정보 담아 '양자컴퓨터'시대 연다…IBS, 홀뮴 원자 하나에 1비트 구현

【대전=뉴시스】기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단이 홀뮴(Ho) 원자 한 개로 1비트(bit)를 안정적으로 읽고 쓰는 데 성공했다. 사진 왼쪽부터 IBS 양자나노과학 연구단 최태영 연구위원과  안드레아스 하인리히 연구단장. (사진=IBS 제공)

【대전=뉴시스】이시우 기자 = 물질을 구성하는 최소 입자인 원자에 정보를 저장하고 읽는 방법을 국내 연구진이 찾아냈다.

 원자를 메모리로 이용해 미래형 첨단 컴퓨터인 '양자컴퓨터(quantum computer)' 시대를 앞당기는데 기여할 것으로 기대된다.

 기초과학연구원(IBS)은 양자나노과학 연구단 안드레아스 하인리히 단장(Andreas Heinrich, 이화여대 물리학과 교수) 연구팀이 홀뮴(Ho) 원자 한 개로 1비트(bit)를 안정적으로 읽고 쓰는 데 성공했다고 9일 밝혔다.

 이는 정보를 저장하고 처리하는데 실리콘 반도체 대신 원자를 이용할 수 있다는 뜻이다.

 실리콘 기반의 반도체는 제한된 공간에서 스위치 역할을 하는 트랜지스터 크기를 줄여가면서 저장용량을 늘리고 처리속도를 개선해왔지만 한계에 이르렀다.

 이에 양자역학에 기반을 둔 양자 컴퓨터가 주목을 받고 있다.

 양자컴퓨터는 0과 1의 이진법인 비트로 연산하는 디지털 컴퓨터와 달리, 0과 1 외에 중첩의 양자 상태도 신호로 쓰는 큐비트(qubit) 연산을 하는 컴퓨터를 말한다.

 중첩은 한 입자가 여러 곳에 동시에 존재할 수 있다는 의미로 이를 이용해 비트별로 차례차례 계산하는 실리콘 반도체 컴퓨터와 달리 여러 비트를 한 번에 계산할 수 있다.

 이론적으로는 지금까지 상영된 모든 영화를 USB 메모리카드 한 개 크기의 칩에 저장하거나 인간이 수 백년 동안 계산해야 할 수식을 수 초안에 계산할 수 있다고 전문가들은 설명했다.

 하지만 양자에 정보를 저장하고 입출력하는데 한계가 있어 개발이 더디게 진행되고 있다.

【대전=뉴시스】기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단 안드레아스 하인리히 단장(이화여대 물리학과 교수) 연구팀이 홀뮴(Ho) 원자 한 개로 1비트(bit)를 안정적으로 읽고 쓰는 데 성공했다.주사터널링현미경 탐침(사진 위 노란색)으로 홀뮴 원자에 전류를 흘리면 원자의 자기 상태를 읽거나 상태를 바꿀 수 있다. 이는 원자에 정보를 입력하고 읽는 것과 같다. (사진=IBS 제공)

 IBS 연구팀은 의료용 레이저나 분광기의 파장 보정용 등으로 쓰이는 희토류 원소인 홀뮴 원자(원자번호 67번)를 저장 수단으로 선택했다.

 홀뮴 원자를 구성하는 전자가 내부에서 만드는 자성으로 인해 원자 외부에 방향성이 명확한 자기장을 만들기 때문이다.

 위, 아래로의 신호가 명확하게 구분돼 디지털신호인 '0'과 '1로 대체, 1비트를 구현할 수 있다.

 연구팀은 실제 주사터널링현미경(Scanning Tunneling Microscope)을 이용해 산화마그네슘(MgO) 기판 표면 위에 놓인 홀뮴 원자의 전류를 측정하고 방향을 전환할 수 있다는 사실을 확인했다.

 또 홀뮴 원자들은 1나노미터(㎚) 정도 간격으로 밀집해도 서로 영향을 주지 않아, 원자를 촘촘히 배열해 저장밀도를 혁신적으로 높일 수 있을 것이라고 연구팀은 설명했다.

 하인리히 단장은 "위, 아래로 이뤄진 단일 원자 스핀 상태는 디지털 컴퓨터를 위해서는 충분하다지만 두 상태가 동시에 공존하는 양자 제어에 성공하면 양자 컴퓨팅을 위한 큐비트로 발전할 수 있다"라며 "양자 제어를 위해 추가 연구를 계속할 계획"이라고 말했다.

 한편 이번 연구는 IBS 양자나노과학 연구단 최태영 연구위원이 공동 저자로 수행했고 연구 결과는 국제학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다. 논문 제목은 'Reading and Writing Single-Atom Magnets'이다.

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