EPFL 엔지니어들은 우주 공간보다 낮은 온도에서 열을 효율적으로 전압으로 변환할 수 있는 장치를 만들었습니다. 이 혁신은 최적으로 작동하기 위해 극도로 낮은 온도가 필요한 양자 컴퓨팅 기술 발전의 주요 장애물을 극복하는 데 도움이 될 수 있습니다.
양자 컴퓨팅을 수행하려면 양자 비트(큐비트)를 밀리켈빈 범위(거의 섭씨 -273도)의 온도로 냉각하여 원자 운동을 늦추고 소음을 최소화해야 합니다. 그러나 이러한 양자 회로를 관리하는 데 사용되는 전자 장치는 그렇게 낮은 온도에서는 제거하기 어려운 열을 발생시킵니다. 결과적으로 대부분의 최신 기술은 전자 부품에서 양자 회로를 분리해야 하며, 이로 인해 소음과 비효율성이 발생하여 실험실 외부에서 더 큰 양자 시스템의 실현을 방해합니다.
Andras Kis가 이끄는 EPFL의 LANES(Laboratory of Nanoelectronics and Structures) 연구원들은 이제 극도로 낮은 온도에서 작동할 뿐만 아니라 실온에서 현재 기술만큼 효율적인 장치를 만들었습니다. 이번 연구 결과는 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 저널에 게재됐다.
LANES 박사 과정 학생 Gabriele Pasquale는 "우리는 현재 기술의 변환 효율과 일치하면서도 양자 시스템에 필요한 낮은 자기장과 초저온에서 작동하는 장치를 만든 최초의 사람입니다. 이 작업은 정말 한 단계 발전한 것입니다."라고 말했습니다.
이 혁신적인 장치는 그래핀의 우수한 전기 전도성과 인듐 셀렌화물의 반도체 특성을 결합합니다. 몇 개의 원자 두께로 2차원 물체처럼 작동하는 이 새로운 재료와 구조의 조합은 전례 없는 성능을 제공합니다.
이 장치는 온도가 변하는 물체에 자기장이 수직일 때 전압을 생성하는 복잡한 열전 현상인 네른스트 효과(Nernst effect)를 활용합니다. 실험실 장비의 2D 특성으로 인해 메커니즘의 효율성을 전기적으로 제어할 수 있습니다.
2D 구조는 EPFL Micro-Nano Technology Center 및 LANES 연구소에서 제작되었습니다. 실험에는 레이저를 열원으로 사용하고 특수 희석 냉장고를 사용하여 우주보다 훨씬 낮은 온도인 100밀리켈빈에 도달하는 것이 포함되었습니다.
이렇게 낮은 온도에서 열을 전압으로 변환하는 것은 일반적으로 매우 어려운 일이지만, 새로운 장치와 Nernst 효과를 활용하면 이를 가능하게 하여 양자 기술의 핵심 격차를 메울 수 있습니다.
Pasquale는 "노트북을 추운 사무실에 놔두면 작업하는 동안 노트북이 여전히 뜨거워져 실내 온도가 상승하게 됩니다. 양자 컴퓨팅 시스템에는 현재 이 열이 큐비트를 방해하는 것을 방지할 메커니즘이 없습니다. 우리 장치는 이러한 필요한 냉각을 제공할 수 있습니다."라고 Pasquale은 말했습니다.
훈련을 받은 물리학자인 Pasquale는 이 연구가 저온에서 열전 에너지 전환에 대한 빛을 제공하기 때문에 중요하다고 강조했습니다. 이는 지금까지 탐구되지 않은 현상입니다. 높은 변환 효율과 잠재적으로 제조 가능한 전자 부품의 사용을 고려할 때 LANES 팀은 그들의 장치가 이미 기존 저온 양자 회로에 통합될 수 있다고 믿습니다.
Pasquale는 "이러한 발견은 나노기술의 주요 발전을 나타내며 밀리켈빈 온도에서 양자 컴퓨팅에 중요한 고급 냉각 기술의 개발을 약속합니다"라고 말했습니다. "우리는 이번 성과가 미래 기술을 위한 냉각 시스템에 혁명을 일으킬 것이라고 믿습니다."