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Korea

포스텍 연구팀, 그래핀 이용 고효율 양자얽힘 구현

새로운 양자통신소자 가능성 열어
미국화학회 ‘나노 레터스’ 최신호 통해 발표

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[포항=뉴시스] 강진구 기자 = 포스텍(총장 김무환)은 물리학과 이길호, 이후종(사진) 교수, 박사과정 박건형씨 연구팀이 그래핀을 이용해 고효율의 양자얽힘을 구현했다고 8일 밝혔다.(사진=포스텍 제공) 2019.12.08.  photo@newsis.com
[포항=뉴시스] 강진구 기자 = 포스텍(총장 김무환)은 물리학과 이길호, 이후종 교수, 박사과정 박건형씨 연구팀이 그래핀을 이용해 고효율의 양자얽힘을 구현했다고 8일 밝혔다.

양자 얽힘(quantum entanglement)이란 두 양자상태가 공간적으로 멀리 떨어져 있어도 그것이 양자역학적인 상관관계로 묶여 있는 것을 말한다. 이 현상을 통해 성질이 다양한 정보처리가 가능해지고 연산 속도도 대폭 빨라진다.

  연구팀은 이 현상을 유도하기 위해 겹층그래핀을 육방정계질화붕소(hBN) 결정막으로 보호해 그래핀에서 무질서하게 산란되는 전자를 최소화했다.

또한, 겹층그래핀을 수직으로 쌓고 이 두 개의 겹층그래핀 가장자리를 초전도물질로 연결한 양자얽힘 소자를 제작하는 데 성공했다.

현재까지 양자얽힘을 유도하기 위해 여러 종류의 물리적 구조를 이용하는 연구들이 진행돼 왔다. 예를 들면, 레이저 광선으로 이온이나 원자를 조작하는 ‘이온 트랩’, 극저온에서 전기저항이 사라져 전력 손실 없이 전류가 흐르는 ‘초전도체’, 실리콘 등의 반도체에 전자가 지나는 길을 제어하는 방법 등이다.

연구팀은 이번에 그래핀이 탄소로 이뤄진 현존하는 가장 얇은 도체이면서 구리나 실리콘보다 수백 배 더 전자를 잘 이동시키는 점에 주목했다.

겹층그래핀 사이의 간격을 초전도 결맞음(양자상태의 파동 특성에서 간섭 현상을 볼 수 있는 조건) 길이보다 훨씬 얇게 하고 겹층그래핀의 특이한 밴드구조를 이용해 양자얽힘 현상과 함께 일어나는 부수 현상들을 효과적으로 차단해 순수한 양자얽힘 효율을 획기적으로 향상했다.


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[포항=뉴시스] 강진구 기자 = 포스텍(총장 김무환)은 물리학과 이길호, 이후종 교수, 박사과정 박건형씨 연구팀이 그래핀을 이용해 고효율의 양자얽힘을 구현했다고 8일 밝혔다.사진은 포스텍 연구팀이 이번에 개발된 소자 개형도.(사진=포스텍 제공) 2019.12.08.  photo@newsis.com
이번 연구는 2차원 물질을 수직으로 쌓아 다양한 기능성을 실현하는 소자 개발이 경쟁적으로 이뤄지고 있는 가운데, 2차원 물질인 겹층그래핀과 초전도를 결합해 기존 초전도 전자쌍의 양자얽힘 효율을 향상했다는 점에서 주목을 받고고 있다.

앞서 연구팀은 지난 수년에 걸쳐 학계에서 높은 관심을 받았던 그래핀과 초전도를 접합시킨 조셉슨 접합(두 개의 초전도를 접합해 그 사이를 전자쌍이 전기저항 없이 통과하게 만든 소자로서, 이를 이용해 결맞음 특성이 우수한 양자소자를 만들 수 있다)에 대한 연구로도 국제적인 주목을 받은 바 있다.

이 연구성과는 미국화학회 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 최신호를 통해 발표됐다.

   이번 연구는 한국연구재단의 선도연구센터지원사업과 삼성미래기술육성재단의 지원으로 수행됐다.

포스텍 이후종 교수는 “이번 연구성과는 앞으로 그래핀을 포함한 2차원물질을 이용한 양자얽힘 등 양자 소자 개발에 새로운 활로를 열 것으로 기대된다”고 밝혔다.

◎공감언론 뉴시스 dr.kang@newsis.com

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