성균관대, 산화아연 스핀 큐비트 특성 세계 최초 이론 규명
원제: 성균관대, 차세대 반도체 기반 양자기술의 핵심 '산화아연 스핀 큐비트' 세계 최초 규명
성균관대 서호성 교수 연구팀이 미국 위스콘신-매디슨대·워싱턴대와의 국제 공동연구를 통해, 산화아연(ZnO) 반도체 내 몰리브데넘-산소 공공 복합 결함이 스핀 큐비트로 활용 가능한 특성을 갖춤을 세계 최초로 이론적으로 규명하고, 그 결과를 양자정보과학 분야 저명 학술지 PRX Quantum에 게재했다.
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연구 배경: 다이아몬드 NV센터의 한계를 넘어
고체 결정 내부의 점결함에 고립된 전자스핀은 상온 동작이 가능하고 양자정보 보존 시간도 길어, 양자컴퓨팅·양자통신·양자센싱 전반에서 핵심 후보로 꼽혀왔다. 다이아몬드의 질소-공공(NV) 센터가 이 분야의 대표적 플랫폼이지만, 대면적 고품질 결정 성장이 어렵고 반도체 공정과의 통합도 까다롭다는 구조적 한계가 상용화의 걸림돌로 지목돼 왔다. 연구팀은 이러한 제약을 우회할 재료로, 반도체 산업에서 물성이 이미 충분히 검증된 산화아연에 주목했다.
핵심 결함 설계와 시뮬레이션 방법론
연구팀은 슈퍼컴퓨터 기반의 최첨단 양자 시뮬레이션 기법을 동원해 주기율표 전반의 결함 후보군을 체계적으로 탐색했다. 그 결과 아연 격자 위치에 몰리브데넘(Mo) 원자를 치환하고, 인접한 산소 원자 하나를 제거한 '몰리브데넘-산소 공공 복합 결함'을 설계하고 정밀 분석했다. 이 설계 방식은 소재·공정 양면에서 산화아연의 기존 인프라를 그대로 활용할 수 있다는 점에서 실용적 의미를 갖는다.
주요 물성: 광특성·결맞음 시간·단일샷 판독
분석에서 도출된 특성은 세 가지 측면에서 주목된다. 첫째, 해당 결함은 광여기 시 가시광선 영역에서 고효율 발광을 보이며, 격자 진동에 의한 에너지 손실 지표인 황-리스(Huang-Rhys) 인자가 기존 산화아연 결함들에 비해 현저히 낮아 양자 광원으로서의 적합성이 확인됐다. 둘째, 전자스핀의 결맞음 시간(T₂)이 약 4밀리초에 달해, 주변 자기 잡음 환경에서도 양자정보를 장시간 안정적으로 유지하는 것으로 나타났다. 셋째, 강한 스핀-궤도 결합과 안정된 대칭 구조가 결합되어, 단 한 번의 측정으로 스핀 상태를 높은 신뢰도로 판별하는 '단일샷 판독'이 원리적으로 가능함을 이론적으로 밝혔다. 단일샷 판독은 양자 오류 보정과 분산 양자 네트워크 구현에 필수적인 요건이다.
연구 체계와 의의
본 연구는 성균관대 박태준 박사과정생이 위스콘신-매디슨대 연구진과 공동 제1저자로 기여했으며, 서호성 교수는 워싱턴대 Kai-Mei C. Fu 교수, 위스콘신-매디슨대 Yuan Ping 교수와 공동 교신저자를 맡았다. 이번 성과는 어디까지나 이론·시뮬레이션 단계의 규명이라는 점에서, 실제 소자 제작 및 실험적 검증이 후속 과제로 남는다. 그럼에도 반도체 친화적 산화아연 플랫폼에서 스핀 큐비트 조건을 처음으로 체계적으로 제시했다는 점에서, 집적 가능한 고체 스핀 양자소자 연구의 방향을 넓히는 기여로 평가될 수 있다.