오스트리아 빈 대학(University of Vienna)과 스페인 바르셀로나 과학기술연구소(The Barcelona Institute of Science and Technology)의 연구진은 그래핀 플라즈몬으로 양자 계산을 할 수 있는 새로운 방법을 제안했다.

광자는 주위 환경과 거의 상호작용하지 않기 때문에 양자 정보를 저장하고 전송하는데 최고의 후보군이다. 이러한 기능 때문에 광자로 인코딩된 정보는 조작하기가 매우 어렵다.

포토닉스 양자 컴퓨터를 만들기 위해서는 한 개의 광자가 1초 안에 상태가 변해야 한다. 이러한 장치를 양자 논리 게이트(quantum logic gate)라고 부르고, 양자 컴퓨터를 구축하기 위해서는 수백만 개의 양자 논리 게이트가 필요하다.

이것을 달성하는 한 가지 방법은 두 개의 광자가 물질 내에서 상호 작용하는 ‘비선형 물질(nonlinear material)’을 이용하는 것이다. 그러나 일반적인 비선형 물질은 양자 논리 게이트를 구축하기에 너무 비효율적이다.

최근에, 플라즈몬을 사용할 경우에 비선형 상호작용이 매우 향상될 수 있다는 것을 알게 되었다. 플라즈몬의 경우에, 빛은 물질 표면의 전자와 결합한다. 이러한 전자들은 광자가 매우 강하게 상호작용할 수 있도록 도와준다. 그러나 표준 물질 속의 플라즈몬은 필요한 양자 효과가 발생하기 전에 붕괴된다.

이번 연구진은 그래핀의 플라즈몬이 비선형 상호작용을 향상시킨다는 것을 발견했다. 10년 전에 발견된 이 2차원 물질은 단일층 벌집 구조로 탄소 원자가 배열되어 있다. 그래핀 전자의 독특한 구성은 매우 강한 비선형 상호작용을 발생시키고 플라즈몬이 오랜 시간 동안 존재하게 만든다.

제안한 그래핀 양자 논리 게이트의 경우에, 그래핀으로 만들어진 나노리본 속에서 단일 플라즈몬이 만들어진다면 서로 다른 나노리본 속의 두 개의 플라즈몬이 전기장으로 상호작용할 수 있다는 것을 보여준다. 각각의 플라즈몬이 나노리본 다중 게이트 속에 머문다면 양자 계산에 적용될 수 있다.

그래핀의 강한 비선형 상호작용 때문에 두 개의 플라즈몬이 동일한 리본 속으로 호핑(hopping)되는 것을 막는다.

이 연구는 그래핀의 몇 가지 독특한 특성을 이용하고 있다. 이 장치의 실현 가능성을 확인하기 위해서는 그래핀 기반의 유사한 시스템으로 실험을 수행해야 할 것이다. 양자 논리 게이트는 작고 상온에서 작동해야 하며 대량 생산이 가능해야 할 것이다. 이 연구결과는 저널 Nature에 “Quantum computing with graphene plasmons” 라는 제목으로 게재되었다.