양자 컴퓨터 결합한 차세대 현미경 등장…미세 관측 한계 깬다

세계 최초로 양자 컴퓨터로 구동되는 혁신적인 현미경 개발이 추진된다.
14일(현지시각) 과학 기술 전문매체 인터레스팅 엔지니어링에 따르면 오스트리아 빈 공과대학교(TU Wien)와 빈 대학교, 린츠 요하네스 케플러 대학교(JKU Linz), 인스브루크 대학교 공동 연구진은 양자 컴퓨터를 이용해 관측 대상 시료에서 기존보다 훨씬 많은 정보를 추출하는 현미경 기술을 개발 중이라고 밝혔다. 연구진은 '양자 얽힘(Quantum Entanglement)' 현상을 적용해 기존 전자현미경의 태생적 한계를 극복할 계획이다.

1590년 네덜란드의 한스·자카리아스 얀센 형제가 복합 광학 현미경을 발명한 이래, 인류의 시각은 비약적으로 확장됐다. 이후 독일의 에른스트 루스카와 막스 놀이 빛 대신 전자 빔을 사용하는 전자현미경을 개발하면서 원자 수준의 극미세 영역까지 관찰이 가능해졌다.

그러나 전자현미경 역시 치명적인 약점을 안고 있다. 정밀한 이미지를 얻기 위해서는 대량의 전자를 시료에 투사해야 하는데, 강한 전자빔에 노출된 시료가 쉽게 손상된다는 점이다. 특히 단백질이나 바이러스 등 섬세한 생물학적 시료는 전자 노출로 인해 구조가 파괴되는 문제가 빈번히 발생했다.
연구진은 전자 하나하나에서 추출하는 정보의 양을 극대화해 투입 전자의 총량을 대폭 줄이는 해법을 제시했다. 전자현미경을 이온 포획(Trapped-ion) 방식의 양자 컴퓨터와 직접 연결하는 구조다.

전자빔 경로에 고정된 이온을 배치해 통과하는 전자와 상호작용을 유도하면, 전자와 양자 컴퓨터 내부의 이온 간에 양자 얽힘이 형성된다. 이 과정을 거치면 시료를 통과한 전자의 정보가 이온에 저장되며, 정밀한 양자 연산을 통해 훨씬 선명한 데이터를 복원해낼 수 있다. 적은 수의 전자만으로도 고해상도 이미지를 구현해 시료 손상을 막는 원리다.

현재 연구진은 이 접근법의 유효성을 수학적으로 증명했으며, 해당 계산 결과를 논문 사전 공개 서버인 아카이브(arXiv)에 게재했다. 연구진은 수학적 모델을 바탕으로 전자현미경과 이온 포획 양자 컴퓨터를 물리적으로 통합해 실증하는 후속 실험에 돌입했다.


이인수 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com