양자컴퓨터가 동전만 해진다고? '마그논' 수명 100배 늘린 깜짝 연구 🪙

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양자컴퓨터 하면 보통 거대한 샹들리에처럼 생긴 금색 장비가 떠오르죠. 방 하나를 통째로 차지하는 그 비싸고 복잡한 기계 말이에요. 그런데 그게 1센트 동전만 한 크기로 줄어들 수 있다면 어떨까요? 오스트리아 빈대학교 물리학 연구진이 그 가능성에 한 발 다가서는 흥미로운 성과를 내놨습니다. 핵심은 '마그논'이라는, 좀 생소한 녀석의 수명을 무려 100배나 늘린 거예요.

마그논이 대체 뭔데?

먼저 마그논(magnon)부터 짚고 갈게요. 호수에 돌을 던지면 물결이 동심원으로 퍼지잖아요. 마그논은 비슷한 원리로, 고체 자성 물질 속을 이동하는 미세한 자기(磁氣)의 파동입니다. 자석 같은 물질 내부를 따라 출렁이며 정보를 실어 나르는 작은 파도라고 생각하면 돼요.

우리가 흔히 아는 광자(빛 알갱이)는 텅 빈 공간이나 광섬유를 통과하죠. 반면 마그논은 고체 안에서만 움직인다는 게 차이점입니다. 그런데 이 점이 오히려 장점이 돼요. 파장이 나노미터 수준까지 작아질 수 있어서, 이론적으로 마그논 회로를 스마트폰 칩만큼 작게 만들 수 있거든요. 양자컴퓨터가 동전만 해질 수 있다는 이야기가 여기서 나옵니다. 게다가 고체 안에서 일어나는 현상이다 보니 포논, 광자 같은 다른 입자들과도 자연스럽게 어울려서, 여러 기술을 섞어 쓰는 데도 유리하고요.

그런데 왜 지금까지 못 썼을까?

이렇게 매력적인데 왜 아직 안 쓰였느냐. 치명적인 약점이 있었습니다. 바로 수명이 너무 짧다는 거예요.

지금까지 마그논은 길어야 수백 나노초 동안만 정보를 안정적으로 운반할 수 있었습니다. 나노초가 얼마나 짧은지 감이 안 오실 텐데, 10억 분의 1초 단위예요. 정보를 실어 나르기도 전에 사라져 버리는 셈이라, 실용적인 양자컴퓨팅에 쓰기엔 한참 부족했죠. 빛나는 재능은 있는데 체력이 너무 약한 선수 같달까요.

100배 늘렸다… 그것도 한계가 '물리 법칙'이 아니었다

그런데 이번 연구진이 마그논 수명을 무려 18마이크로초까지 끌어올렸습니다. 마이크로초는 100만 분의 1초니까, 기존 수백 나노초와 비교하면 약 100배나 긴 거예요. 이 정도 되면 마그논은 더 이상 '금방 사라지는 신호'가 아니라, 지금 최첨단 양자컴퓨터가 쓰는 초전도 큐비트에 견줄 만한 믿음직한 정보 운반체가 됩니다. 체력 문제를 해결하니 비로소 주전 선수가 된 셈이죠.

비결은 두 가지였어요. 첫째, 기존의 평범한 마그논 대신 짧은 파장의 마그논을 만들었습니다. 짧은 파장은 결정 표면의 흠집(결함)에 영향을 덜 받는데, 바로 이 표면 결함이 그동안 마그논의 발목을 잡던 주범이었거든요.

둘째, 극도로 순수한 'YIG(이트륨철석류석)'라는 결정 구체를 30밀리켈빈까지 냉각했습니다. 절대영도(영하 273.15도)보다 아주 살짝 높은, 상상하기 힘들 정도로 차가운 온도예요. 이렇게 꽝꽝 얼리면 평소 마그논을 파괴하던 열의 방해가 사실상 멈춥니다.

여기서 제가 가장 흥미로웠던 대목. 연구진은 남은 수명의 한계가 물리학의 근본 법칙 때문이 아니라, 그저 결정 속 미세한 불순물 때문이라는 걸 밝혀냈어요. 순도가 다른 세 개의 구체로 실험했더니, 순수할수록 마그논이 더 오래 살아남는 뚜렷한 패턴이 나왔거든요. 심지어 가장 불순한 시료조차 기존 기록을 다 깼고요.

이게 왜 중요하냐면, 앞으로의 발전이 새로운 물리학을 발견해야 하는 문제가 아니라, 그냥 재료를 더 깨끗하게 만들면 되는 문제라는 뜻이거든요. 넘어야 할 벽이 '미지의 영역'이 아니라 '기술적 숙제'라는 건, 연구자 입장에선 굉장히 희망적인 소식입니다.

그래서 뭐가 달라지는데?

18마이크로초라는 수명은 마그논을 약한 보조 역할에서 강력한 양자 메모리이자 효율적인 통신 채널로 승격시킵니다. 특히 기대되는 건 하나의 공유 경로로 수백 개의 큐비트를 연결하는 역할이에요. 확장 가능한 양자컴퓨터를 만들려면 큐비트들을 서로 이어줄 통로가 꼭 필요한데, 오랫동안 기다려 온 그 **'양자 버스(quantum bus)'**가 될 수 있다는 거죠. 여러 큐비트를 태우고 다니는 일종의 정보 셔틀버스인 셈입니다.

게다가 마그논은 다양한 양자 시스템과 두루 어울릴 수 있어서, 서로 말이 안 통하는 기술들을 이어주는 '만능 번역기' 역할까지 기대된다고 해요.

정리하며

물론 당장 내 책상 위에 동전만 한 양자컴퓨터가 놓이는 건 아닙니다. 30밀리켈빈이라는 극저온 환경이 필요하다는 것만 봐도 갈 길은 멀죠. 하지만 "마그논의 한계는 물리 법칙이 아니라 재료의 순도였다"는 발견은, 이 분야가 막다른 길이 아니라 충분히 더 나아갈 수 있는 길 위에 있다는 걸 보여줍니다. 양자컴퓨터가 정말 동전 크기로 작아지는 날, 생각보다 빨리 올지도 모르겠네요. 해당 연구는 학술지 사이언스 어드밴시스에 실렸습니다.

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