성균관대 주도팀, 산화아연 몰리브덴-산소공공 결함을 스핀 큐비트로 이론 규명

무슨 일이 있었나

성균관대 서호성 교수 연구팀이 산화아연(ZnO) 결정 내 점결함을 활용한 새로운 스핀 큐비트 후보를 이론적으로 제안했다. 연구팀은 슈퍼컴퓨터 기반의 최첨단 제1원리 양자 시뮬레이션 기법으로 주기율표 전반의 결함 후보군을 체계적으로 탐색, 아연 격자 위치에 몰리브덴(Mo) 원자를 치환하고 인접한 산소 원자 하나를 제거한 '몰리브덴-산소공공 복합 결함'을 설계·분석했다.

출처별 강조점·차이

두 출처는 연구의 핵심 사실을 공통적으로 전하되, 세부 강조점에서 차이를 보인다. 공통으로 확인된 사항은 ▲결맞음 시간(T₂) 약 4밀리초 ▲황-리스(Huang-Rhys) 인자가 기존 산화아연 결함 대비 현저히 낮음 ▲단일샷 판독의 이론적 가능성 ▲어디까지나 시뮬레이션 단계라는 점이다.

The Quantum Insider는 산화아연이 핵스핀이 거의 없는 '자기적으로 조용한' 환경이라는 재료 특성을 상세히 서술하며 물성 설명에 비중을 뒀다. 반면 전자신문은 제1저자 기여 구조를 보다 명확히 기술해, 박태준 박사과정생이 위스콘신-매디슨대 연구진과 공동 제1저자로 참여했음을 구체적으로 밝혔다. 교신저자는 서호성 교수와 워싱턴대 Kai-Mei C. Fu 교수, 위스콘신-매디슨대 Yuan Ping 교수가 공동으로 맡았다.

기술적 맥락

고체 결정 내 점결함에 포획된 전자스핀은 상온에서도 양자 정보를 상당 시간 유지할 수 있어 양자컴퓨팅·통신·센싱 전반에서 핵심 플랫폼으로 주목받아왔다. 이 분야 대표 플랫폼인 다이아몬드의 질소-공공(NV) 센터는 뛰어난 양자 특성에도 불구하고, 대면적 고품질 단결정 성장이 어렵고 표준 반도체 공정과의 호환성이 낮아 소자 집적화와 대량 생산에 구조적 제약이 있다.

이번에 제안된 산화아연 기반 결함은 세 가지 특성이 주목된다. 첫째, 가시광 영역에서 고효율 발광을 보이며 황-리스 인자가 낮아 날카로운 스펙트럼, 즉 양자 광원으로서의 적합성이 확인됐다. 둘째, 결맞음 시간 약 4밀리초는 주변 자기 잡음 환경에서도 양자 정보를 안정적으로 유지할 수 있는 수준이다. 셋째, 강한 스핀-궤도 결합과 안정적·대칭적 결함 구조가 맞물려 단 한 번의 측정에서 스핀 상태를 판별하는 단일샷 판독이 원리적으로 가능하다고 제시됐다. 단일샷 판독은 양자 오류 정정과 분산 양자 네트워크 구현에 필수 요건이다.

의미와 전망

이번 연구는 반도체 친화적 산화아연 플랫폼에서 깊은 준위(deep-level) 스핀 큐비트 조건을 처음으로 체계적으로 제시했다는 점에서 학술적 의의가 있다. 기존 산화물 반도체 공정 인프라를 그대로 활용할 수 있다는 점은 집적화·확장성 면에서 다이아몬드 기반 플랫폼 대비 뚜렷한 강점으로 꼽힌다. 다만 두 출처 모두 이번 결과가 전적으로 이론·시뮬레이션에 근거한다는 점을 명시하고 있어, 실제 결함 합성과 실험적 특성 검증이 후속 과제로 남는다.