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[IT뉴스]'큐비트'를 위해 설계된 인공 유기분자…'유기물 양자컴' 나올까

온카뱅크관리자

2026-10-29 04:07:25

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 양자정보 처리에 활용할 수 있는 인공 유기분자 '카벤(carbene)' 구조를 묘사한 그림. NVision, Valentin Heinrich 제공
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 미래 전략기술로 주목받는 양자컴퓨터를 유기물로 구현할 가능성이 제시됐다. 자연에서 발견한 물질이 아니라 설계된 유기분자를 양자컴퓨터의 정보처리 단위인 '큐비트'로 활용하는 아이디어다.
 독일 양자기술 기업 엔비전(NVision) 퀀텀 테크놀로지스 연구팀은 인공적으로 설계한 유기분자를 큐비트로 활용해 빛으로 양자 상태를 읽어내는 기술을 개발하고 연구결과를 국제학술지 '네이처'에 28일(현지시간) 발표했다.
 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터로는 해결이 불가능한 유형의 문제를 풀 수 있는 전략기술이다. 양자 현상을 이용한 정보처리 단위인 큐비트로 계산을 수행한다. 큐비트는 외부 환경의 미세한 변화에도 담고 있는 양자정보가 쉽게 손실되는 문제가 있다. 큐비트 수십만 개 이상을 안정적으로 제어하고 연결하는 기술이 대규모 양자컴퓨터 구현의 핵심 과제로 꼽힌다.
 큐비트의 물리적 형태는 구동 방식에 따라 다양하다. 현재 활발히 연구 중인 큐비트 대다수는 보통 중성원자나 이온 등 자연에 있는 물질에서 출발하고 해당 물질의 한계를 극복하는 방식으로 기술을 개발한다. 연구팀은 큐비트에 필요한 양자 특성을 내는 분자를 처음부터 설계하는 전략으로 접근했다.
 연구팀은 큐비트에 적합한 유기분자를 설계하기 위해 시뮬레이션과 실험을 결합했다. 약 4년 동안 200여 개의 후보 분자를 컴퓨터로 모델링하고 그중 40종 이상을 실제로 합성해 검증했다.
 중심의 탄소(C) 원자에 짝을 이루지 않은 전자 2개가 있는 유기분자 유형인 '카벤(carbene)'이 낙점됐다. 전자의 자기적 성질인 '스핀'은 방향성이 있어 스핀의 상태에 따라 정보를 구분하면 연산에 활용할 수 있다. 양자정보는 짝이 없는 두 전자의 스핀에 저장되며 분자는 정보를 담는 용기 역할을 한다.
 레이저를 조사해 유기분자 결정 내부 특정 지점을 카벤으로 변환하면서 개별 큐비트가 생성된다. 큐비트가 유사한 유기분자 결정 주변에 둘러싸여 있기 때문에 진동 등 주변 환경으로 인한 교란이 최소화된다.
 연구팀은 약 영하 269℃의 극저온 환경에서 단일 큐비트 분자가 방출하는 빛을 관측했다. 전자의 스핀 상태에 따라 서로 다른 형광 신호가 나타나는 현상을 확인하고 전자기파인 마이크로파를 가해 스핀 상태를 조작하는 데 성공했다.
 서로 다른 스핀 상태에 대응하는 빛의 주파수는 최소 1.555기가헤르츠(㎓, 주파수의 단위) 이상 차이가 나 상태를 구별할 수 있었다. 양자정보를 유지하는 기간인 결맞음 시간은 최대 2.2밀리초(ms, 1ms는 1000분의 1초)로 안정적인 수준이라는 설명이다.
 연구팀은 "한 스핀 상태를 다른 상태로 바꾸는 데 50나노초(ns, 1ns는 10억분의 1초)도 걸리지 않기 때문에 양자정보가 사라지기 전까지 이론적으로 수만 번의 스핀 전환 연산을 수행할 수 있다"고 밝혔다.
 분자 결정은 얇은 박막 형태로 구현할 수 있다. 광자 기반의 칩 형태와 통합해 구현하는 것이 다음 과제다. 연구팀은 "화학 합성을 통해 동일한 구조의 큐비트를 대량으로 제작하고 빛을 이용해 서로 연결할 수 있다는 점에서 분자 기반 양자컴퓨터의 확장 가능성을 제시했다"고 설명했다.
 이번 연구는 단일 분자에서 양자상태를 제어하고 판독하는 데 성공한 단계다. 서로 다른 분자 큐비트 사이의 양자얽힘이나 실제 양자 연산을 구현한 것은 아니기 때문에 다중 큐비트 연결 기술을 검증해야 한다는 점도 숙제로 남아 있다.
 &lt;참고 자료&gt;  - doi.org/10.1038/s41586-026-11147-6
 [이병구 기자 2bottle9@donga.com]
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