성균관대 주도팀, 산화아연 내 몰리브덴-산소공공 결함을 스핀 큐비트 후보로 이론 규명

연구 배경: 다이아몬드 NV 센터의 한계를 넘어

고체 결정 내 점결함에 포획된 전자 스핀은 상온에서도 양자 정보를 상당 시간 유지할 수 있어, 양자 컴퓨팅·통신·센싱 플랫폼의 유력 후보로 꼽혀왔다. 지금까지 이 분야에서 가장 널리 연구된 다이아몬드의 질소-공공(NV) 센터는 뛰어난 양자 특성을 갖추고 있으나, 대면적 고품질 단결정 성장이 어렵고 표준 반도체 공정과의 호환성이 낮아 소자 집적화와 대량 생산에 구조적 제약이 있다.

산화아연: 반도체 친화적 큐비트 호스트

연구팀이 주목한 산화아연(ZnO)은 반도체 산업에서 이미 광범위하게 사용되는 소재로, 결정 성장 및 소자 공정 기술이 성숙해 있다. 산화아연은 핵스핀이 거의 없는 '자기적으로 조용한' 환경을 제공하며, 초고순도 결정 성장도 가능하다. 이러한 특성이 스핀 큐비트 호스트 물질로서의 가능성을 뒷받침한다.

연구팀은 슈퍼컴퓨터 기반 제1원리 양자 시뮬레이션을 통해 주기율표 전반의 결함 후보를 체계적으로 선별했다. 그 결과 아연 자리를 몰리브덴(Mo) 원자가 대체하고, 인접한 산소 자리가 공공(vacancy)으로 존재하는 복합 결함 구조를 도출했다.

핵심 특성: 낮은 황-리스 인자와 단일샷 판독

시뮬레이션 분석에 따르면, 해당 결함은 가시광 영역에서 밝고 선명한 빛을 높은 효율로 방출한다. 특히 발광 과정에서 결정 진동으로 빠져나가는 에너지 손실을 정량화한 황-리스(Huang-Rhys) 인자가 기존 산화아연 결함보다 현저히 낮아, 양자 광원에 적합한 날카로운 스펙트럼을 기대할 수 있다.

스핀 결맞음 시간은 약 4밀리초로 추정됐다. 이는 주변 자기 잡음 환경에서도 양자 정보를 비교적 오랫동안 유지할 수 있음을 의미한다. 강한 스핀-궤도 결합과 안정적·대칭적인 결함 구조가 맞물려, 단 한 번의 측정에서 스핀 상태를 정확히 판별하는 단일샷 판독(single-shot readout)이 이론적으로 구현 가능함도 제시됐다. 단일샷 판독은 양자 오류 정정과 양자 네트워크 구성에 필수 요건으로 꼽힌다.

의의와 남은 과제

이번 연구는 산화아연에서 깊은 준위(deep-level) 스핀 큐비트의 이론적 실현 가능성을 처음으로 체계적으로 제시했다는 점에서 학술적 의의가 있다. 기존 산화물 반도체 공정과의 호환성은 집적화·확장성 측면에서 다이아몬드 기반 플랫폼 대비 뚜렷한 강점이다.

다만 이번 결과는 전적으로 이론 시뮬레이션에 근거하며, 실제 결함 합성과 실험적 특성 검증이 이루어져야 실용화 전망을 구체적으로 평가할 수 있다. 성균관대 박태준 박사과정생이 공동 제1저자로, 서호성 교수는 워싱턴대 Kai-Mei C. Fu 교수, 위스콘신대 Yuan Ping 교수와 함께 공동 교신저자로 참여했다.