양자 컴퓨터는, 한 번이라도 가격을 알아본 사람이라면 알겠지만, 골칫거리다. 절대영도(-459°F)에 가까운 온도가 필요한데, 이는 대략 심우주의 온도이자, 공교롭게도 대부분 사람들이 이 기술에 대해 가지는 인내심의 온도이기도 하다. 하지만 스탠퍼드 대학 연구진이 빛과 전자의 양자적 특성을 연결해 실온에서 작동하는 나노 크기 광학 장치를 개발했다. 이는 극저온 시설 없이도 장거리 정보 전송이 가능한 더 작고 저렴한 양자 기술로 이어질 수 있다.
이 장치는 광자(빛 입자)와 전자 간의 얽힘을 가능하게 하는데, 이는 양자 통신의 기본 요건이다. 스탠퍼드 재료과학 및 공학 교수이자 <네이처 커뮤니케이션즈>에 발표된 연구의 수석 저자인 제니퍼 디온은 재료 자체는 새롭지 않지만 사용 방식이 새롭다고 말한다. "이 재료는 전자와 광자 사이에 매우 다재다능하고 안정적인 스핀 연결을 제공하며, 이는 양자 통신의 이론적 기초입니다. 하지만 일반적으로 전자는 스핀을 너무 빨리 잃어 유용하지 않습니다." 그래서 그들은 그 문제를 해결했다.
이 장치는 얇은 패턴의 이셀레늄화 몰리브덴(MoSe2) 층과 나노 패턴의 실리콘 기판을 결합한 것이다. 이셀레늄화 몰리브덴은 전이금속 칼코겐화합물(TMDC) 계열에 속하며, 광학적 및 양자적 특성으로 높이 평가받는다. 실리콘 나노 구조는 연구진이 "꼬인 빛"이라고 부르는 것을 생성한다. 논문의 제1저자이자 박사후 연구원인 펑 판은 설명한다: "광자는 코르크 마개 뽑듯 나선형으로 회전하지만, 더 중요한 것은 이 회전하는 광자를 이용해 양자 컴퓨팅의 핵심인 전자에 스핀을 부여할 수 있다는 점입니다." 따라서 기본적으로 매우 작고 정밀한 빛 꼬임 장치인 셈이다.
패턴화된 나노 구조는 가시광선 파장 정도 크기로, 육안으로는 보이지 않지만 광자를 위나 아래로 회전시키는 데 중요하다. 이 꼬인 빛은 전자 스핀과 얽혀 양자 정보의 기본 단위인 큐비트를 생성한다. 기존 컴퓨팅에서는 0과 1이지만, 양자에서는 큐비트가 양자 효과를 활용해 다르게 작동한다. 큰 걸림돌은 양자 정보 손실인 결어긋남이었으며, 이를 막기 위해 극단적인 냉각이 필요했다. 이 장치는 실온에서 작동하여 이를 우회하므로 비교적 저렴하고 실용적이다.
더 발전하면 이 기술은 보안 통신, 고급 감지, 고성능 컴퓨팅, 인공지능을 향상시킬 수 있다. 연구팀은 특이한 양자 특성을 가진 TMDC 재료를 선택했으며, 이 재료를 전문으로 하는 스탠퍼드 연구원 팡 류와 토니 하인즈와 협력했다. 판은 "모든 것은 이 재료와 우리의 실리콘 칩으로 귀결됩니다. 함께 작용하여 빛의 꼬임을 효율적으로 가두고 강화하여 광자와 전자 사이의 강한 스핀 결합을 만듭니다. 이는 양자 통신을 가능하게 하는 양자 상태를 안정화합니다."라고 말한다.
연구진은 장치를 계속 개선하며 더 나은 성능을 위해 추가 TMDC 재료와 조합을 탐색하고 있다. 또한 이 시스템이 현재 실온에서 불가능한 새로운 양자 능력을 열어줄 수 있는지 조사하고 있다. 장기 목표는 이러한 장치를 더 큰 양자 네트워크에 통합하는 것으로, 광원, 변조기, 검출기, 상호 연결의 개선이 필요하다. 궁극적으로 양자 부품이 일상 전자제품에 소형화되기를 희망한다. "그렇게 된다면 언젠가 휴대전화에서 양자 컴퓨팅을 할 수도 있을 것입니다," 판이 미소 지으며 말한다. "하지만 그건 10년 이상의 계획입니다." 그러니 숨 참지 말고, 대신 훨씬 더 멋진 전화기를 기대해보자.