양자정보공학과 서호성 교수 연구팀(제1저자 이재욱, 김현수, 박희진)은 최근 혁신적인 양자정보소자로 각광받고 있는 이차원 육방정계 질화붕소(h-BN)의 음전하 붕소 공극(VB-) 큐비트의 양자 결잃음(decoherence) 현상을 체계적으로 분석하고, 결잃음 시간(T2)을 연장하기 위한 구체적인 방법들을 제시하였다. 본 연구를 통해 서로 다른 외부 자기장 영역에서 결잃음 현상이 급격하게 변화할 수 있음을 보였고, 변화가 일어나는 전이 경계(transition boundary)의 위치를 정확하게 예측할 수 있는 정량적 기준과 수치 방법론을 개발하였다. 이를 통해 h-BN VB- 큐비트 소자의 실질적인 양자정보 응용 가능성을 크게 높일 수 있었다.

h-BN의 VB- 큐비트는 상온에서 빛을 이용하여 양자 상태를 조작할 수 있는 장점을 가진 스핀 큐비트 소자로 최근 큰 주목을 받고 있다, 하지만, 짧은 T2 시간이 실용화를 가로막는 핵심 한계로 지적되어 왔다. 이를 극복하기 위해서는, 양자 결잃음 현상에 대한 미시적 이해와 이를 바탕으로 결잃음을 최대한 억제할 수 있는 다양한 공학적 접근이 개발되어야 한다.

이에 연구팀은 일반화된 클러스터 상관 전개법(Generalized cluster-correlation expansion)과 범밀도 함수론 (Density functional theory) 계산법을 결합한 새로운 양자 다체계 전산모사 방법을 사용해, VB-의 결잃음 현상이 외부 자기장의 변화에 따라 어떻게 변화하는지를 정량적으로 분석하였다. 그 결과, 붕소와 질소의 동위원소 조성에 따라 T2 시간이 달라지고, 외부 자기장에 특정한 전이 경계가 존재해 경계 위에서는 T2 시간이 백배 이상 증가함을 보였다. 또한, 일부 자기장 구간에서는 특정 핵스핀으로 인해 결맞음 신호에 뚜렷한 변조가 발생함을 예측하였으며, 이러한 결맞음 변조 현상은 앞으로 본 연구 결과의 더욱 정확한 실험적 검증을 위해 활용될 것으로 기대된다.

본 연구는 h-BN의 밀집된 핵스핀 환경으로 인해 발생하는 독특한 큐비트 결잃음 현상을 설명하는 체계적인 이론을 정립했다는 점에서 의미가 크다. 본 연구에 밝힌 메커니즘을 바탕으로 양자정보 보호를 위한 최적의 동위원소 조성비 및 외부 자기장 조절 등의 구체적인 공학적 설계 원리를 제안하였으며, 향후 2차원 h-BN 기반의 양자 소자 설계와 양자 센싱 조건 최적화 등의 다양한 분야에서의 활용이 기대된다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 한국연구재단 양자정보과학 인적기반 조성사업, 한국연구재단이 지원하는 성균관대 양자정보연구지원센터 등의 지원을 받아 수행되었다. 연구 성과는 연구의 우수성을 인정받아 2025년 8월 24일 응용 물리 분야 국제 저명 학술지인 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 19.0) 학술지에 출판 되었다.

※ 논문명: Magnetic-Field Dependent VB− Spin Decoherence in Hexagonal Boron Nitrides: A First-Principles Study

※ 학술지: Advanced Functional Materials

※ 논문링크: https://doi.org/10.1002/adfm.202511274

자기장에 따른 VB- 스핀 양자 결잃음 ‘전이 경계’ 규명