IBS·KIT 공동연구, 전압으로 단일 분자 큐비트 제어 원리 규명

연구 배경: 분자 큐비트 제어의 난제

양자컴퓨팅과 양자 센서 구현에서 개별 큐비트를 외부에서 얼마나 정밀하게 제어하느냐는 핵심 과제다. 기존에는 자기장을 활용해 스핀 상태를 조작하는 방식이 주류였지만, 자기장은 특정 큐비트만을 선택적으로 제어하기 어렵다는 구조적 한계가 있다. 전압 기반 제어는 이 문제를 극복할 수 있는 대안으로 주목받아 왔으나, 기존 연구에서 확인된 전기적 제어 효과는 실용 수준에 미치지 못했다.

실험 구성: 분자 복합체와 복합 관측 장비

연구팀은 산화마그네슘(MgO) 표면 위에 철 프탈로시아닌 분자와 철 원자가 결합한 복합체(Fe-FePc)를 구성했다. 이 복합체를 주사터널링현미경(STM)과 전자스핀공명(ESR)을 결합한 장비로 관측함으로써 원자 수준의 공간 분해능에서 개별 분자의 양자 스핀 거동을 추적했다. 두 기술의 결합은 분자 단위 스핀 조작과 공명 주파수 측정을 동시에 가능하게 하는 핵심 실험 인프라였다.

핵심 발견: 비선형 스핀-전기 결합과 교환 상호작용

STM 탐침의 전압을 변화시키는 것만으로 큐비트의 스핀 공명 주파수가 크게 달라지는 현상이 확인됐다. 특히 일정 전압 임계값 이상에서는 전압 증가에 비례해 주파수가 단조 증가하는 것이 아니라, 특정 구간에서 급격히 변하는 비선형 거동이 나타났다. 이 변화량은 기존에 보고된 분자 스핀의 전기적 제어 효과 대비 약 30배에 달하는 수준이다.

연구팀은 이 현상의 원인이 전기장에 의한 단순한 분자 변위가 아니라, 탐침과 분자 사이에 작용하는 교환 상호작용이 전압에 따라 달라지기 때문임을 규명했다. 전압이 높아질수록 탐침-분자 간 교환 상호작용이 강화되고, 그 결과 큐비트의 스핀 에너지 준위가 이동하면서 공명 주파수도 함께 변화하는 구조다.

선택적 제어 가능성: 다중 큐비트 환경 적용

연구팀은 두 분자가 결합된 구조에서 탐침 바로 아래에 위치한 큐비트만을 선택적으로 제어할 수 있음도 추가로 확인했다. 이는 다수의 큐비트가 연결된 회로에서도 개별 큐비트에 대한 독립적 제어가 원리적으로 가능함을 보여주는 결과로, 분자 기반 양자소자 집적화의 실현 가능성을 높이는 근거가 된다.

의의와 한계

이번 연구는 전압 기반 제어 방식의 효율을 기존 대비 대폭 끌어올렸다는 점에서 분자 양자기술 분야의 주요 진전으로 평가받는다. 다만 현재 실험은 STM 탐침이라는 단일 접촉점을 통한 제어에 한정돼 있으며, 실제 소자에 집적 가능한 형태로 구현하려면 탐침 없이도 작동하는 전극 구조 개발과 소자 안정성 확보 등 추가 연구가 필요하다. 단일 분자 수준의 실험 결과를 양산 가능한 플랫폼으로 전환하는 과정은 별도의 기술 과제로 남아 있다.