금 나노클러스터, 양자 컴퓨팅 성능 확대 '게임 체인저'로 급부상

양자 컴퓨터, 센서 등 첨단 기술의 성능은 전자의 스핀(Spin) 거동에 크게 좌우된다. 현재 가장 정밀한 양자 시스템은 기체 상태의 원자를 활용하지만, 이는 장치 확장에 심각한 어려움을 초래했다.

3일(현지 시각) 과학 전문매체 사이테크데일리에 따르면 미국 펜실베이니아 주립대와 콜로라도 주립대 공동 연구팀은 금 나노클러스터(Gold Nanocluster)가 이러한 기체 상태 원자의 핵심 스핀 특성을 모방할 수 있음을 입증하며, 훨씬 쉬운 확장성을 갖춘 새로운 대안을 제시했다.


연구팀 책임자인 켄 나펜버거(Ken Knappenberger) 펜실베이니아 주립대 교수는 "금 나노클러스터가 현재 최첨단 양자 정보 시스템과 동일한 핵심 스핀 특성을 가지고 있음을 처음으로 보여줬다"면서 "특히 물질에 고정된 상태에서도 스핀 편극(Spin Polarization)이라는 중요한 특성을 제어할 수 있다"고 밝혔다. 클러스터의 비교적 쉬운 대량 합성이 가능하기 때문에 이 연구는 다양한 양자 응용 분야를 지원할 유망한 개념 증명이라는 평가다.

이번 연구는 ACS 센트럴 사이언스(ACS Central Science)와 더 저널 오브 피지컬 케미스트리 레터스(The Journal of Physical Chemistry Letters) 두 편의 논문을 통해 금 클러스터의 스핀 행동을 상세히 확인했다.

연구팀이 주목한 것은 리간드(ligand)라 불리는 분자로 둘러싸인 금 코어로 구성된 단층 보호 클러스터다. 이 클러스터는 전자적 특성이 원자와 유사해 '슈퍼 원자(Super Atom)'라고 불린다.

사이테크데일리에 따르면 연구의 주요 저자인 네이트 스미스(Nate Smith) 펜실베이니아 주립대 대학원생은 "우리는 갇힌 기체 상태의 희박 이온에서 나타날 수 있는 중첩 상태를 모방하는 19개의 구별 가능하고 고유한 리드베리 유사 스핀 편극 상태(Rydberg-like spin polarization states)를 확인했다"고 설명했다. 이 발견은 금 클러스터가 양자 컴퓨팅의 핵심인 스핀 기반 연산을 수행하는 데 필요한 핵심 특성을 갖추고 있음을 의미한다.


이 연구의 가장 혁신적인 부분은 스핀 편극을 화학적으로 조절할 수 있다는 점이다. 연구팀은 리간드의 종류에 따라 스핀 편극 값이 7%에서 최대 40%에 이르는 것을 확인했다. 이 40%의 값은 일부 선도적인 2차원 양자 물질의 스핀 편극 값과 유사한 수준이다.

나펜버거 교수는 "전통적으로 양자 물질은 스핀 편극 값이 고정되어 변경이 어려웠지만, 이번 결과는 금 클러스터의 리간드를 수정해 이 특성을 광범위하게 조절할 수 있음을 시사한다"고 강조했다. 이는 전자의 스핀 특성이 리간드의 진동과 밀접한 관련이 있음을 보여주는 것으로, 연구팀은 앞으로 리간드의 특정 특성 변화가 스핀 편극에 미치는 영향을 심층적으로 조사할 계획이다.
나펜버거 교수는 "양자 분야는 주로 물리학자와 재료과학자가 주도했지만, 이제 화학자들이 합성 기술을 활용해 조절 가능한 결과를 가진 재료를 설계할 수 있는 새로운 지평이 열렸다"고 말하며, 이 연구가 양자 정보 과학에 새로운 방향을 제시하고 있다고 평가했다.


이태준 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com