양자정보공학과 및 성균나노과학기술원 서호성 교수 연구팀이 미국 위스콘신-매디슨대, 워싱턴대 등과의 국제 공동연구를 통해, 산화아연(ZnO) 반도체 내부에 존재하는 특정 원자 결함 구조가 미래 양자컴퓨터, 양자통신, 양자센서의 핵심 요소인 ‘스핀 큐비트(Qubit)로 활용될 수 있는 우수한 특성을 갖추고 있음을 세계 최초로 규명했다. 이번 연구 결과는 양자정보과학 분야 최고 권위 학술지인 ‘PRX 퀀텀(PRX Quantum)’에 게재되며 전 세계 학계와 산업계의 이목을 집중시키고 있다.

고체 결정 속 점결함에 갇힌 전자스핀은 상온에서도 동작이 가능하고 양자정보를 오래 유지할 수 있어, 양자컴퓨터는 물론 양자통신과 초정밀 양자센서를 구현할 핵심 기술로 전세계적으로 활발히 연구되고 있다. 다이아몬드 내부의 NV센터가 가장 대표적인 후보이지만, 다이아몬드는 대면적 고품질 결정을 만들기 어렵고, 반도체 소자 공정도 까다로워, 고성능 양자정보 소자의 집적화와 양산에 큰 걸림돌이 되어 왔다.  

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 반도체 산업에서 이미 널리 활용되어 물성이 잘 알려진 ‘산화아연’에 주목했다. 산화아연은 핵스핀이 거의 없는 ‘자기적으로 조용한’ 소재인 데다 초고순도 결정 성장이 가능해 이상적인 큐비트의 모체로 꼽힌다. 연구팀은 슈퍼컴퓨터를 활용한 최점단 양자 시뮬레이션 기법들을 집약해 주기율표 전반의 후보 결함들을 체계적으로 탐색한 끝에, 아연(Zn) 원자 자리에 몰리브데넘(Mo) 원자를 넣고 바로 옆의 산소 원자 하나를 빼낸 ‘몰리브데넘-산소 공공 복합 결함’을 설계하고 그 특성을 정밀 분석했다.  

분석 결과, 이 결함 구조는 빛을 비추면 높은 효율로 가시광선 영역에서 밝고 선명한 빛을 방출하는 것으로 나타났다. 특히 빛을 낼 때 결정의 진동으로 에너지가 새어 나가는 정도를 나타내는 후앙-리스(Huang-Rhys) 인자가 기존에 알려진 산화아연 결함들 보다 훨씬 작아 양자광원에 적합한 선명한 빛을 낼 수 있음을 확인했다.  

또한 이 결함의 전자스핀은 주변의 자기 노이즈 속에서도 양자정보를 약 4밀리초(ms, 1000분의 4초)에 달하는 매우 오랜 시간동안 안정적으로 유지하는 것으로 나타났다. 여기에 강한 스핀-궤도 결합과 안정적인 대칭 구조가 더해져, 스핀 큐비트 상태를 단 한 번의 측정으로 정확히 읽어내는 고신뢰도 ‘단일샷 판독(single-shot readout)’이 가능함을 이론적으로 규명했다. 단일샷 판독은 양자 오류 보정과 양자 네트워크 구현에 반드시 필요한 핵심 기술이다.  

연구를 주도한 서호성 교수는 “이번 연구는 대표적인 산화물 반도체인 산화아연에서 안정적인 딥레벨(deep-level) 스핀 큐비트가 가능하다는 것을 처음으로 제시한 성과”라며 “성숙한 산화물 반도체 성장·공정 기술과 결합하면, 집적과 확장이 가능한 양자 광원·양자 센서·양자 네트워크 플랫폼으로 발전해 나갈 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구에는 성균관대 박태준 박사과정 연구원이 위스콘신-매디슨대 연구진과 공동 제1저자로 참여했으며, 서호성 교수는 워싱턴대 카이메이 푸(Kai-Mei C. Fu) 교수, 위스콘신-매디슨대 위안 핑(Yuan Ping) 교수와 함께 교신저자를 맡았다.

▲ 산화아연 산화물 반도체 내부의 점결함 스핀 큐비트 설계 과정 모식도