미래의 정보처리 방법으로 ‘양자컴퓨터’ 혹은 ‘양자정보’를 말합니다. 현대의 디지털정보의 단위가 비트(bit)인 것처럼, 양자정보의 단위를 큐빗(qubit)이라고 부릅니다. 큐빗의 후보로서 광자(photon), 극한 조건에 갖힌 이온(ion), 단결정 내 전자 혹은 핵 스핀이 연구되어 왔고, 실제로 상당한 진전을 보였습니다. 예를 들어, Google 에서도 초전도 금속을 이용한 양자컴퓨터를 활용하고 있습니다. 하지만 여전히 좀 더 안정하고, 확장 가능한 큐빗을 확보하기 위한 연구는 오늘도 치열하게 진행되고 있습니다.

이번에 우리 연구팀은 분자 내 전자스핀을 큐빗으로 활용하여 양자전달을 구현하고자 합니다. 양자전달(quantum teleportation)이란 한 쪽에서 생성된 양자정보를 양자얽힘(quantum entanglement)을 이용하여 공간적으로 떨어진 다른 한 쪽으로 이동시키는 것을 말합니다. 최근 우리 연구팀은 우리가 합성한 펩토이드(peptoid)기반의 광유발 전자전달 시스템에서 양자적으로 강하게 얽혀있는 안정한 라디칼쌍이 쉽게 생성되고, 화학적인 환경을 이용해서 라디칼쌍의 안정성 조절이 가능하다는 것을 배웠습니다. 라디칼 내 홑전자의 스핀양자상태는 외부에서 조절하거나 측정할 수 있습니다. 우리는 이 연구결과로부터 영감을 얻어 펩토이드기반의 분자 전자스핀 큐빗 (molecular electron-spin qubit) 시스템을 디자인했습니다. 즉, 펩토이드 위 한 쪽 끝에서 라디칼 홑전자를 특정 스핀 양자상태로 준비하고, 그 양자상태 정보가 양자얽힘을 통해서 다른 한 쪽으로 전달되도록 하는 것입니다. 펩토이드는 자연계의 생체 단백질과 펩타이드의 구조 및 기능을 인공적으로 모사하기 위해 개발된 신물질로서, 기존의 가지구조의 고분자나 인공 단백질에 비해 합성이 용이하고 구조를 정밀하게 제어할 수 있다는 장점이 있습니다. 펩토이드의 곁가지에 다양한 전자 주개 (electron donor) 혹은 받개 (acceptor) 분자들을 디자인된 거리와 각도를 가지도록 합성한 후, 분광학과 EPR (electron paramagnetic resonance) 기술을 이용하여 양자전달 효율을 최적화할 계획입니다.

이 연구는 그 동안의 큐빗 연구와는 달리, 화학적인 아이디어로, 화학의 장점을 활용하여 화학적 양자시스템 개발에 기여할 수 있는 좋은 기회가 될 것으로 기대합니다.