양자컴퓨터에 혁신을 일으킬 발견이 '기재 폭발'에서 탄생

 

페니실린이나 폴리에틸렌의 발견처럼 우연에 의한 발견이 현대의 과학기술을 크게 발전시켜 왔습니다. 실험실에서 우연히 일어난 일로 인해 양자컴퓨터 기술을 크게 발전시킬 잠재력을 가진 발견이 일어났습니다. 

2020년 3월 11일(수), 뉴 사우스 웨일스 대학의 양자공학 교수, 안드레아 모렐로 씨를 비롯한 연구팀이 Nature에 발표한 논문에서 'nuclear electric resonance(핵 전기 공명)'의 발견이 보고되었습니다. 핵 전기 공명은 노벨 물리학상 수상자 니콜라스 블룸 베르겐(Nicolaas Bloembergen)씨에 의해 1961년부터 예측되고 있었습니다만, 약 60년 동안 아무도 발견할 수 없었던 현상이었습니다.

모렐로 씨는 "핵 전기 공명은 자장을 발생시키지 않고 하나의 원자핵의 자극을 제어할 수 있는 방법으로, 이 발견은 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 새로운 길이 열린 것을 의미합니다."라고 양자컴퓨터 기술의 발전을 시사하고 있습니다.

 

지금까지 원자핵의 자극(자기력이 가장 센 자석의 양쪽 끝 부분)을 제어하는 방법은 핵 자기 공명이 일반적이었습니다. 핵 자기 공명은 MRI에 이용되고 있으며, 자기장을 발생시켜 여러 원자핵의 자극을 제어할 수 있습니다. 하지만 자기장을 발생시키려면 큰 코일과 전류가 필요하며, 작은 공간에 한정하여 자기장을 발생시키는 것은 어렵기 때문에 핵 자기 공명으로 단일 원자핵을 제어하는 것은 어렵다고 알려졌습니다.

한편, 핵 전기 공명은 작은 전극의 선단에서 발생시킬 수 있는 전기장으로 원자핵의 자극을 제어할 수 있습니다. 모렐로 씨는 자기장과 전기장에 의한 원자핵 제어의 차이를 당구에 비유해, "핵 자기 공명은 당구대 전체가 항상 흔들리고 있는 상태에서 공을 치는 것과 같습니다. 목표로 한 공 이외에 다른 모든 공을 움직여 버립니다. 핵 전기 공명은 고정된 당구대에서 공을 치는듯한 것으로, 노린 공만을 생각대로 움직일 수 있습니다."라고 말하고 있습니다.

핵 전기 공명은 모렐로 씨와 함께 연구를 하고 있는 빈센트 무릭씨와 세루완 아사드씨가 실시하고 있던 실험의 실패에 의해 우연히 발견되었습니다.

 

원래 모렐로 씨의 연구팀은 안티몬(금속원소의 하나로, 유리 금속으로서 알려져 있다) 하나의 원자핵에 대하여 핵 자기 공명을 하는 실험을 실시했습니다. 그러나 실험을 시작해 보니, 원자핵은 매우 이상한 움직임을 보이며 특정 주파수에서 강한 반응을 보인 것입니다. '뭔가 이상하다'라고 눈치챈 연구팀은 추가 조사를 위해 원자핵을 제어하는 고주파 자기장을 발생시키는 특수 안테나를 제작하고, 그 자기장을 강화하기 위해 안테나에 많은 전력을 추가해서 안테나가 폭발해 버렸습니다.

아래 이미지가 실험에 사용된 안테나로 폭발 전의 상태입니다. 이 안테나에 강한 전력이 추가되어

 

아래와 같이 폭발로 인해 타서 끊어져 버렸습니다.

 

무릭씨에 따르면, 안테나가 타서 끊어진 경우 보통은 쓸모가 없기 때문에 장비는 폐기한다는 것입니다. 그러나, 타서 끊어진 후에 누전을 일으킨 안테나와 안티몬의 원자핵이 공명하고 있는 것을 발견하게 되었습니다.

아사드 씨는 당시를 회상하며 "우리가 핵 자기 공명이 아니라 핵 전기 공명을 하고 있음을 깨닫게 된 순간이었다"라고 말합니다. 자세히 조사한 결과, 안테나의 누전으로 생성된 강한 전기장에 의해, 안티몬의 원자핵이 핵 전기 공명을 하고 있던 것으로 밝혀졌습니다.

핵 전기 공명에는 강력한 자기장이 불필요하기 때문에 지금까지 핵 자기 공명으로 만들어지고 있던 양자컴퓨터나 MRI 등의 전력 소모량을 줄일 수 있고, 양자비트의 보다 효율적인 제어법과 개발 속도의 상승 등, 양자과학 분야의 발전에 큰 디딤돌이 될 것으로 기대되고 있습니다. 모렐로 씨는 "핵 전기 공명의 획기적인 연구성과는 발견과 응용의 보물창고를 열게될 것"이라고 말하고 있습니다.