절대온도(영하 약 273도)보다 3도 높은 극저온 환경에서 이터븀을 이용해 만든 양자 메모리다-University of Geneva 제공
최근 미래 양자 메모리 소재로 원자번호 70번의 희토류 원소 이터븀(ytterbium)이 유력하다는 주장이 제기됐다. 현재 스마트폰이나 디스플레이에서 나오는 약 1MHz의 고주파수 대역 전파환경에선 양자 메모리를 저장하기 어려웠다. 이터븀이 이런 문제를 해결할 수 있다는 얘기다.
스위스 제네바대 응용물리학과 미카엘 아프젤리우스 교수팀은 이터븀이 고주파수 대역에서 손상되기 쉬운 양자 정보를 안정적으로 보호한다는 특징을 발견한데 이어, 절대온도보다 3도 높은 영하 약 270도에서 양자 메모리를 구현하는데 성공했다. 이같은 결과는 7월23일(현지시각) 학술지 ‘네이처 머티리얼즈’에 실렸다.
양자 통신은 뚫을 수 없는 보안성을 갖춘 미래 기술로 주목받는다. 하지만 지금의 광통신처럼 세계가 양자 통신망으로 연결되려면 아직 갈 길이 멀다. 특히 빛(광자)에 담은 양자 정보를 저장했다 오류없이 출력하는 이른바 양자 메모리 기술 발전이 급선무다.
차세대 양자통신 기술은 양자정보를 기존의 광통신 케이블로 송수신하는 유선 기술과, 중국 묵자호와 같이 양자위성을 이용하는 무선 기술로 구분한다. 두 방법 모두 몇가지 문제가 있다. 초속 30만km의 속도로 움직이는 광자를 안정적으로 포착하고, 필요한 양자 정보를 광자에 안정적으로 저장하는 것, 이를 꺼내 손실없이 전달하는 것 등이다.
아프벨리우스 교수는 “1초 이하의 짧은 순간 안에 양자정보를 잡아내서 원하는 정보를 입혀야하는데 빛이 그보다 빨라 쉽지 않다”며 “(많은 연구팀이나 기업에서) 이를 가능케 할 양자 메모리용 소재를 찾고 있다”고 설명했다. 희토류 원소인 유로피움(europium) 이나 프라세오디뮴(praseodymium) 등이 양자 메모리의 소재로 실험실 수준에서 개발되고 있었지만, 빛의 속도로 이동하는 양자정보를 포착하는데 어려움을 겪고 있었다.
연구팀은 극저온 환경에서 온도를 조절하는 동시에 희토류 원소들에 특정 방향으로 자기장을 걸어주는 실험을 했다. 그 결과 희토류 원소 중 이터븀이 정확하게 양자 정보를 포착하며 원하는 위상으로 조절할 수 있음을 확인했다. 양자 정보를 저장하는 것은 곧 위상차를 입력하는 것과 같다. 결국 위상을 조절할 수있는 이터븀을 이용해 메모리를 만들면, 원하는 양자 정보를 넣을 수 있다는 설명이다.
아프벨리우스 교수는 “(실험실 수준에서) 이터븀을 이용한 양자메모리도 구현했다”며 “세계 양자 통신망을 구현하는데 이터븀 기반의 양자 메모리가 필요할 것”이라고 전망했다.