국내 연구진이 양자컴퓨터의 원천 기술인 원자 이동·배치 기술을 개발하는 데 성공했다.
레이저 빔을 사용한 '광 집게'를 이용해 원자를 하나씩 잡아서 집어 던지고 받을 수 있어 기본보다 더 강력한 성능의 양자컴퓨터 개발이 가능하다.

한국과학기술원(KAIST·카이스트)은 안재욱 물리학과 교수 연구팀이 레이저 빔을 이용해 루비듐 원자를 하나씩 던지고 받는 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

양자컴퓨터의 기본 기술인 원자 구성요소인 원자를 이동하여 배치하는 기술은 리드버그 양자컴퓨팅 연구에 매우 중요하다.
원자를 원하는 위치에 배치하려면, 일반적으로 광 집게라고 불리는 매우 집속된 레이저 빔을 사용해 원자를 하나씩 잡아서 운반한다.
문제는 그동안 원자의 양자 정보가 변화할 가능성이 크다.

연구팀은 광 집게가 원자와 접촉하는 시간을 최소화하여 양자 정보가 변하지 않도록 원자를 던지고 받는 방법을 개발했다.
원자의 온도가 매우 낮아 절대 영도 이하 4천만분의 일의 온도의 차가운 루비듐 원자가 광 집게의 초점을 따라서 빛이 가하는 전자기력에 매우 민감하게 움직인다는 특성을 이용했다.
광 집게의 레이저를 가속해서 원자에 광학적 킥을 줘서 원자를 목표지점으로 보낸 다음, 다른 광 집게로 날아오는 원자를 잡아서 멈추게 했다.
원자의 비행 속도는 65cm/s이고, 이동 거리는 최대 4.2 마이크로미터다.

기존의 광 집게로 원자를 잡아서 이동하는 기술과 대비해 원자를 던지고 받는 기술은 원자 이동을 위한 광 집게 이동 경로 계산이 필요 없어지고, 원자 배열에 생기는 결함을 쉽게 고칠 수 있다.
결과적으로 많은 개수의 원자 배열을 생성하고 유지하는 데 효과적이며, 양자 정보를 지닌 원자(flying atom qubit)를 추가로 던지고 받는 때에 양자 배열의 구조변화를 전제하는 새롭고 더욱 강력한 양자컴퓨팅 방법을 연구할 수 있다.

안재욱 교수는 “이 기술이 더 크고 강력한 리드버그 양자 컴퓨터를 개발하는 데 사용될 것”이라며 “리드버그 양자 컴퓨터에서 원자는 양자 정보를 저장하고, 전자기력을 통해 인접한 원자들과 상호작용해 양자컴퓨팅을 수행할 수 있도록 배치된다.
만약 오류가 발생해 원자를 교체하거나 이동해야 할 경우, 원자를 던져서 빠르게 재구성하는 방법이 효과적일 수 있다”고 말한다.

이번 연구는 이달 발간된 국제 학술지 '옵티카(Optica)'에 3월 10권 3호에 출판됐다.
논문명은 'Optical tweezers throw and catch single atoms' 이다.