PPPL 연구진, 16~30원자 분자 모델로 다이아몬드 큐비트 시뮬레이션 속도 개선…산소·붕소 결함 후보 발굴

다이아몬드 큐비트, 상온 작동이 핵심 강점

양자컴퓨터와 양자센서 구현에는 안정적인 큐비트 소재가 필수다. 초전도 큐비트처럼 극저온 냉각을 요구하는 방식과 달리, 다이아몬드 기반 큐비트는 상온에서도 양자 상태를 유지할 수 있어 실용화 측면에서 주목받고 있다. 순수한 탄소 결정인 다이아몬드 자체는 양자 정보 처리에 쓸 수 없지만, 원자 배열에 특정 결함이 생기면 그 주변 원자 클러스터가 양자 정보를 저장하고 처리하는 큐비트 역할을 수행한다. 탄소 자리 하나가 비거나 다른 종류의 원자로 대체된 구조가 그 예다.

분자 화학 기법으로 연산 병목 해소

큐비트 시뮬레이션은 전통적으로 방대한 결정 격자 전체를 계산에 포함해야 했기 때문에 연산 부담이 극도로 컸다. PPPL의 마크 마르티레즈(Mark Martirez) 연구원은 결함 주변 16~30개 원자만을 잘라낸 소규모 클러스터를 독립된 분자 구조로 간주하는 접근법을 고안했다. 이를 통해 화학자들이 수십 년간 소분자 연구에 사용해온 고정밀 양자화학 계산 도구를 그대로 적용할 수 있게 됐다. 결과적으로 큐비트 하나를 계산하는 비용이 단순 분자 모델링 수준으로 줄었고, 빛과 마이크로파 펄스에 대한 큐비트 반응을 이전보다 훨씬 빠르게 예측할 수 있게 됐다.

산소·붕소 결함이 열어주는 다색 큐비트 설계

지금까지 다이아몬드 양자 연구에서 가장 많이 다뤄진 것은 탄소 자리를 질소 원자가 대신하고 인접 자리는 비어 있는 NV 결함이다. 이 구조는 특정 양자 상태에서 적색광을 방출한다. 이번 연구에서 새로 확인된 산소 기반 결함은 청색광을, 붕소 기반 결함은 자외선을 방출하는 것으로 시뮬레이션됐다. 방출 파장대가 서로 다른 큐비트를 단일 소자 안에 함께 집적하면, 파장을 기준으로 특정 큐비트만 선택적으로 읽거나 조작하는 것이 원리적으로 가능해진다. 이는 다기능 양자 소자 설계의 유연성을 높이는 경로가 될 수 있다.

화학적 시각으로 큐비트 맞춤 설계 가능성 제시

기존 다이아몬드 큐비트 연구는 대부분 고체물리학 관점에서 수행됐다. 마르티레즈는 이번 연구를 통해 큐비트를 화학적 시각에서도 해석하고 설계할 수 있음을 보였다. 약학 연구자가 특정 기능을 위한 신약 분자를 설계하듯, 원하는 물성을 갖춘 큐비트 구조를 목적에 맞게 구성하는 접근이 가능해질 수 있다는 것이다. 장기적으로 다수 큐비트로 구성된 실용 시스템이 완성되면, 역으로 바이오 분자·단백질 등 대형 분자 시스템을 더 정밀하게 계산하는 데 기여하고, 제약·소재 과학 분야에도 파급 효과를 줄 수 있다는 전망이 나온다. 다만 현재는 시뮬레이션 단계에 머물러 있으며, 실제 소자 제작과 성능 검증으로 이어지기까지는 추가 연구가 필요하다.