(그림1) 초전도 영구 전류 아톰칩 및 원자 포착 원리의 설명이다. (그림2) 영구 전류의 크기에 따라 원자 포착 상태가 변화하는 모습.초전도 디바이스를 이용한 소자 및 회로 기술은 그동안 지속적인 기술 개발이 이루어져 왔으며 이제는 기존의 반도체 소자를 대체하여 특정 기기 분야의 부품을 대체할 수 있을 정도의 수준에 이르고 있다. 예를 들어 초전도 단일자속양자(SFQ) 회로를 이용하여 A-D 변환기를 제작하거나(GTB2007050315), 어레이 형태의 스위치 소자를 제작하여(GTB2007030638), 고속 저소비전력형 회로 동작을 시연하고 있다. 그 이외에도 초전도 일렉트로닉스는 고주파 응용, X선 검출기, 초전도 포토닉스 공학, 테라헤르츠 관련 분야 등 다양한 응용 분야에서의 활용이 기대되고 있다(참조URL1). 이 자료에서는 초전도 현상을 이용하여 무잡음으로 영구 전류를 흘리는 새로운 개념의 소자로 진공 중의 양자를 포획하는 기술을 개발하고, 이를 장래의 양자 컴퓨터의 실현에 이용하기 위한 새로운 연구 활동에 대해 소개하고 있다.
일본 과학기술진흥기구(JST)와 일본전신전화(NTT)는 [초전도 영구전류 아톰칩]이라고 불리는, 진공 중의 원자를 고체 표면 부근에 포착할 수 있는 새로운 소자를 개발하였으며, 이 소자를 이용하여 실제 원자를 안정적으로 포착할 수 있다는 것을 실증하였다. 칩 표면에 초전도체를 제작하고, 폐회로를 흐르는 초전도 전류(영구 전류)에 의해 자장을 발생시켜 이것을 트랩으로 이용하여 원자를 포착할 수 있다는 설명이다. 초전도 전류는 외부의 기전력이 없이도 영구적으로 흐르며 원리적으로는 전기적인 잡음을 발생시키지 않는다. 전원이 불필요하고 잡음이 전혀 없는 소자를 개발했다는 점이 이번 연구의 성과라고 할 수 있다. 진공 중에서 무질서하게 날아다니는 원자를 몇 개 레벨로 제어하여 양자 비트로 이용하는 것이 가능하다면 양자 비트마다의 편차가 없이 양자 상태가 보다 길게 지속적으로 안정된 연산 소자를 실현할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 즉 최종적으로는 양자 컴퓨터에 적용하기 위한 핵심 기초 기술이 될 전망이다.
양자 컴퓨터의 구성 소자인 양자 비트는 나노 스케일 반도체 구조나 초전도 접합 등 미세한 고체 소자가 이전부터 연구되어 왔으나, 이러한 소자의 경우 양자 비트의 특성이 미세 가공에 의해 좌우되기 때문에 복수의 소자를 이용한 연산에서 가공의 정밀도 편차가 발생하는 문제가 있다. 또한 고체에서는 원자들이 서로 밀집해 있기 때문에 원자의 열진동 등의 영향으로 양자 상태가 무너지기 쉽다. 이에 비해 진공 중에 단독으로 존재하는 원자를 양자 비트로 사용할 수 있다면, 개별 양자 비트의 특성은 에너지 준위 문제 등 원자의 종류에 의존할 뿐, 다른 원자의 영향을 받지 않기 때문에 위의 문제를 해결할 수 있다. 그러나, 진공 중의 원자를 양자 비트로 이용하기 위해서는 원자의 운동을 제어할 필요가 있다. 지금까지 소자 표면에 제작한 미세한 회로에 전류를 흘리는 방식으로 자장을 발생시켜 원자를 포획하려는 시도가 있었지만, 전원이나 발생한 열에 의한 잡음 때문에 트랩의 역할을 하는 자장이 불안정해지는 문제가 있었다. 즉 이 방법으로는 다수의 원자를 한꺼번에 포획할 수는 있지만 개별 원자를 안정적으로 차폐하는 것은 무리이다.
이번 연구 개발에서는 사파이어 기판 상에 초전도체인 MgB2의 루프 형태 회로를 제작하고 소자 전체를 액체 헬륨의 온도인 4.2K로 냉각시켜 초전도 전류를 흘리는 방식을 개발하였다. 이번에 제작한 소자는 회로의 일부에 레이저 광을 조사하여 부분적으로 온도를 상승시키는 방법으로 초전도 상태를 상실시켜 회로를 개폐할 수 있는 특징을 가진다. 회로를 개방하면 Z형으로 배선한 회로에 소자 면에 평행한 외부 자장이 인가되어 원자 트랩으로 작용한다. 그 후 레이저 광의 조사를 멈추어 회로를 닫으면 자속을 루프 안에 차폐할 수가 있다. 이 상태에서 외부로부터의 자장을 제거하면 차폐된 자속을 일정하게 유지하여 루프 회로에 영구 전류를 흘릴 수 있어, 전원과 잡음이 없는 원자 트랩으로 구동하게 되는 것이다.
실증 실험에서는 원자를 포획할 수 있는 소자(아톰칩)을 사용하여 루비듐(Rb)원자를 포획하였다. 실험 결과 약 60만개, 온도 200uK의 Rb원자가 칩 표면에서 0.3mm의 위치에 80초 이상 머물러 있는 것을 확인하였다. 이번에 개발한 잡음이 전혀 없는 아톰칩 기술은 향후, 낱개의 원자를 개별적으로 제어하는 기술로 발전할 가능성이 있는 것으로 연구팀은 평가하고 있다. 개별 원자를 독립적으로 제어하는 기술은 양자 컴퓨터의 실현을 앞당길 전망이다. 연구팀은 향후 소자 구조를 개량하여 보조 자장이 필요없는 완전 자기 결합형 소자의 개발에 착수한다는 계획이다. 이 연구의 성과는 2007년 6월 29일에 발행된 [Physical Review Letters]에 [Persistent Supercurrent Atom Chip]이라는 제목으로 발표되었다.
출처 : http://techon.nikkeibp.co.jp/ KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2007-07-06
