양자성질 세계 첫 제어…상온 양자소자 실용화 가능할까

국내 연구진이 양자 움직임을 정밀하게 제어할 방법을 세계 처음 찾았다. 양자 소자 실용화에 실마리를 제공할 것인지에 관심이 쏠렸다. DGIST는 화학물리학과 조창희 교수팀이 양자 복합 입자 '폴라리톤(polariton)'의 진동을 정밀하게 조절하는데 성공했다고 3일 밝혔다. 연구팀은 양자 제어에 결정 구조의 변화로부터 유도된 전기적 특성 변화를 이용했다. 양자 기술은 기존 전자기기보다 훨씬 빠르고 정밀한 정보 처리가 가능하다. 양자 컴퓨터, 통신, 센서 등 다양한 분야에서 미래 산업을 이끌 핵심 기술로 주목받고 있다. 연구팀은 "이 같은 양자 기술의 기술의 핵심은 양자 입자의 상태를 얼마나 정확하게 만들고 조절하느냐에 달려 있다"며 "최근에는 빛을 활용하는 '광 기반 양자소자' 연구가 활발하고, 이 중심에 있는 입자가 폴라리톤"이라고 말했다. 폴라리톤은 전자의 움직임에서 만들어지는 엑시톤(exciton)이라는 상태와 빛(광자, photon)이 결합해 만들어진 복합 입자다. 빛처럼 빠르면서도 전자처럼 서로 영향을 주고받을 수 있는 특성을 지닌다. 특히 이 입자의 진동은 양자 정보를 주고받는 속도와 직접적으로 연결되며, 이를 정밀하게 제어하는 기술은 양자소자 구현에 필수적인 요소다. 하지만 지금까지는 이 진동을 자유롭게 조절하는 데 어려움이 있었다. 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 '페로브스카이트'라는 특수한 반도체 물질에 주목했다. 이 물질은 물이 온도에 따라 얼음이나 수증기로 상태를 바꾸듯, 결정 구조가 외부 요인에 따라 달라지는 '상전이 특성'을 갖는다. 특히, 특정 구조에서는 물질 내부에 전기가 흐르지 않아도 자발적인 전기적 방향성(강유전성)이 나타난다. 이러한 전기적 특성은 엑시톤의 성질을 변화시키고, 나아가 폴라리톤의 양자적 특성에도 영향을 미친다. 연구팀은 페로브스카이트 소재를 활용한 미세 공진기 구조를 설계했다. 최현서 연구생은 "이 구조의 상전이 특성에 따른 물질 변화가 폴라리톤의 진동(라비 진동)에 영향을 준다는 사실을 실험으로 입증했다"며 "결정 상태를 조절했더니, 폴라리톤의 진동 세기를 약 20%까지 조절할 수 있었다"고 설명했다. 최 연구생은 또 "빛과 전자의 결합 강도도 최대 44%까지 변화하는 것으로 나타났다"며 "특히, 비대칭적인 결정 구조에서 나타나는 강유전성이 이러한 변화를 유도하는 핵심 요인임을 확인했다"고 부연설명했다. 연구팀은 향후 이 기술이 양자 컴퓨터, 양자 통신, 광 기반 인공지능 칩, 초고속 센서 등 양자 정보를 다루는 다양한 분야에서, 작동 속도와 안정성을 동시에 높이는 핵심 요소로 활용될 수 있을 것으로 전망했다. 조창희 교수는 "이번 연구에서 쓰인 강유전성 기반 제어 기술은, 폴라리톤을 활용한 양자소자 설계의 유연성과 정밀도를 높이는 새로운 방법"이라며 "향후 상온에서 작동하는 실용적이고 비용 효율적인 양자 소자 구현으로 이어질 가능성도 높다"고 말했다. 연구는 DGIST 화학물리학과 최현서 박사과정생이 제 1저자로 참여했다. 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 사이언스'(3월, 온라인)에 게재됐다. 삼성미래기술육성사업 지원을 받았다.