양자컴퓨터용 ‘3D 광양자 메모리’ 원천기술 개발…네이처 게재

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양자컴퓨터용 ‘3D 광양자 메모리’ 원천기술 개발…네이처 게재

UNIST 서영덕 교수팀 등 국제 공동연구진 논문 발표

무제한 지속 가능한 '나노결정 양방향 광스위치' 현상·응용법 발견

초고성능 양자컴퓨터 시대에 쓰일 수 있는 ‘3D 광양자 메모리’ 원천 기술을 국내·외 공동연구진이 개발했다.

1일 울산과학기술원(UNIST)에 따르면 UNIST 화학과 서영덕 교수팀과 미국 컬럼비아대, 미국 버클리 연구소, 한국화학연구원, 한국기초과학연구원 등이 참여한 국제 공동연구팀은 무제한 지속 가능한 ‘나노결정 양방향 광스위치’ 현상과 원리를 발견해 3D 광양자 메모리 분야 세계 최고 정밀도를 구현하는 데 성공했다.

연구 논문은 이날 과학 학술지 ‘네이처'(Nature) 온라인판에 게재됐다.

인위적으로 무한 반복 점멸되도록 제어할 수 있는 광스위치 현상과 이 현상을 3D 광양자 메모리에 응용할 방법을 발견한 것이다.

연구팀은 앞서 2021년 1월 란탄족 금속이 도핑된 광사태 나노입자로부터 연쇄 반응을 통해 극단적으로 증폭된 아주 센 빛을 내는 광사태 현상을 발견해 네이처 표지 논문으로 선정된 바 있다.

광사태는 빛이 점점 더 큰 에너지의 빛으로 연쇄 증폭되는 현상을 눈사태에 비유한 말이다.

그동안 유기 염료와 형광 단백질 등 형광분자들은 광학 메모리, 나노 패턴화, 생체 이미지화 등 다양한 응용 분야에 널리 사용되며 해당 분야의 비약적 발전에 기여해 왔다.

그러나 형광분자는 빛을 받으면 무작위로 깜박이고, 결국에는 완전히 탈색돼 사라져 버리는 경향 때문에 수명이 짧은 치명적인 단점이 있다.

이러한 과정을 ‘광탈색'(Photobleaching) 현상이라고 한다.

이와는 대조적으로 란탄족 금속들이 도핑된 나노 입자는 예외적인 광안정성을 보였다.

연구팀은 이번 연구에서 이러한 광안정성 목표를 성공적으로 달성했다.

근적외선을 사용해 열변성 징후 없이 물을 포함한 다양한 주변 환경에서 나노 결정의 점등과 소등에 대한 테스트를 수천 번 이상 반복하는 데 성공했다.

제1저자인 컬럼비아대 이창환 박사 후 연구원은 “근적외선 빛은 광독성이나 광산란을 최소화하면서도 생물학적 조직과 무기화학적 물질 등 모든 물질에 대해 깊이 침투할 수 있다는 점에 주목할 필요가 있다”고 말했다.

연구팀은 광양자 메모리, 초해상도 나노경, 바이오·나노 이미징, 바이오 센서 등 잠재적인 응용 분야에 대해서도 연구하고 있다.

연구팀은 이와 관련해 입자가 3D 기판에 나노 패턴을 반복적으로 썼다가 지우는 것을 어떻게 활용할 수 있는지 실험으로 확인했다.

이를 통해 향후 초고밀도 광양자 메모리 저장 기능을 향상할 수 있을 것으로 보고 있다.

서영덕 교수는 “이처럼 무한 반복할 수 있는 양방향 광스위치는 과거 많이 사용됐던 CD-ROM이나 CD-RW 원리처럼 향후 초고성능 양자컴퓨터에서 생성한 방대한 양의 데이터를 저장하기 위한 광양자 메모리 장치로 발전될 것”이라며 “거대한 데이터 저장 용량을 가지면서도 훨씬 더 빠르고, 정확하고, 정밀하게 작동될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

연구팀은 광스위치 현상의 근원을 첨단 투과전자현미경으로도 시각화할 수 없을 정도의 매우 작은 ‘원자 결정 결함'(Atomic Crystal Defect) 때문으로 보고 있다.

이러한 원자 결정 결함이 광사태 임곗값을 더 높거나 낮게 이동시키고, 다른 빛 파장을 사용해 신호 밝기를 증가시키거나 감소시킬 수 있다고 연구팀은 설명했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 글로벌연구실 사업, UNIST 연구정착금 과제 기초과학연구원 다차원탄소재료연구단 과제 등의 지원을 받아 이뤄졌다.