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양자네트워크 실현할 니오븀 초전도 나노소자 개발

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양자네트워크 실현할 니오븀 초전도 나노소자 개발

2021.04.14 11:59
한국표준과학연구원 제공
한국표준과학연구원 양자기술연구소 양자역학계팀이 개발한 니오븀 초전도 나노전기역학 소자. 한국표준과학연구원 제공

양자 네트워크와 같은 양자통신에 필요한 초전도 나노소자가 초전도체 원소인 니오븀(Nb)으로 처음 개발됐다. 초전도체에 필요한 절대영도에 가까운 극저온을 유지하는 데 쓰이는 액체헬륨 온도인 영하 269도에서도 동작 가능해 다양한 양자 분야에 활용되리란 기대다.

 

한국표준과학연구원 양자기술연구소 양자역학계팀은 세계 처음으로 니오븀 초전도 나노전기역학 소자를 개발하고 특성 검증에 성공했다고 14일 밝혔다.

 

초전도체는 특정 온도에서 전기저항이 없어지는 현상을 가진 물질이다. 초전도체에서는 물질이 0과 1의 정보를 동시에 가지는 ‘큐비트’와 같은 양자현상이 일어난다. 초전도체를 이용한 양자소자는 전자기파의 일종인 마이크로파를 이용해 ‘초전도 큐비트’라는 양자 상태를 제어하거나 측정한다.

 

초전도체 양자소자 제작에는 극저온에서 초전도 성질을 보이는 알루미늄과 니오븀 등이 쓰인다. 니오븀은 온도와 자기장 같은 주변 환경의 영향을 다른 초전도체보다 상대적으로 덜 받는다. 하지만 소자가 양자 상태를 관찰하려면 기판 전극에서 소자를 100nm(나노미터·10억 분의 1m) 정도로 가깝게 유지해야 하는데 니오븀은 이를 극복할 구조를 만들기 어려웠다.

 

연구팀이 개발한 소자의 전자현미경 사진이다. 표준연 제공
연구팀이 개발한 소자의 전자현미경 사진이다. 표준연 제공

연구팀은 니오븀 증착 조건을 조정해 내부 힘을 최소화하는 구조를 찾아 니오븀 나노전기역학 소자를 제작하는 데 성공했다. 이 소자는 4K(영하 269.15도)에서 동작하고 외부자기장 0.8T(테슬라) 환경에서도 쓸 수 있다. 알루미늄 소자가 1K, 외부자기장 0.01T에서 동작할 수 있는 것보다 안정적인 것이다. 차진웅 표준연 선임연구원은 “초전도체는 액체핼륨의 냉각온도인 4K에서 더 많은 냉각장치가 필요한데 니오븀은 이러한 추가 장치가 필요 없어 유리하다”고 말했다.

 

연구팀은 개발한 소자를 이용해 마이크로파를 제어하는 데도 성공했다. 기존 소자보다 마이크로파 투과율을 1000배 높여 비가역 마이크로파 소자의 소형화에 유리해졌다. 비가역 마이크로파 소자는 마이크로파 신호를 한 방향으로만 투과해 외부에서 소자로 들어오는 잡음을 차단한다.

 

서준호 표준연 책임연구원은 “이번에 개발한 소자를 활용해 다양한 양자정보장치를 원격으로 연결하는 마이크로파 및 광신호변환 장치를 개발할 예정”이라며 “소규모 양자 네트워킹을 넘어 다양한 양자시스템 사이 양자정보를 자유롭게 전송하는 양자 인터넷 구현에 도움을 줄 것으로 기대한다”고 말했다.

 

이번 연구는 한국연구재단 선도연구센터지원사업과 삼성미래기술육성재단, 표준연 주요사업 지원을 받았다. 연구결과는 국제학술지 ‘나노 레터스’에 21일 출간을 앞두고 온라인으로 앞서 실렸다.

 

연구에 참여한 김학성 선임기술원, 차진웅 선임연구원, 서준호 책임연구원, 김지환 박사후연구원, 심승보 책임연구원(왼쪽 위부터 시계방향)이 이번에 개발한 니오븀 나노전기역학 소자 측정 시스템을 선보이고 있다. 표준연 제공
연구에 참여한 김학성 선임기술원, 차진웅 선임연구원, 서준호 책임연구원, 김지환 박사후연구원, 심승보 책임연구원(왼쪽 위부터 시계방향)이 이번에 개발한 니오븀 나노전기역학 소자 측정 시스템을 선보이고 있다. 표준연 제공

 

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