소비자의 입장에서 보면 지난 수십 년 동안 전자 분야가 이룩한 엄청난 발전을 쉽게 알 수 있다. 웨어러블 기기, 스마트시티, 자율주행차, 개선된 우주임무, 로봇, 홀로그래피, 슈퍼컴퓨터와 함께라면 기술 발전의 가능성은 무궁무진해 보인다. 그러나 대부분의 사람들이 모르는 사이에 전자 부품에 의한 이러한 기술 발전의 가속화 추세는 전자 부품이 실제 한계에 도달함에 따라 빠르게 중단되고 있다. 컴퓨팅 성능과 용량을 계속 개선하려면 현대 전자 장치가 작동하는 방식인 전자의 단순한 흐름과 전하를 넘어 데이터를 저장하고 처리하는 새로운 방법을 찾아야 한다.  

그래서 최근 양자 컴퓨터가 화두가 되었다. 양자 현상에서 정보를 인코딩함으로써 양자 컴퓨터는 각 비트가 "0" 또는 "1"이라는 이진 개념을 초월한다. 대신 양자 비트는 "0"과 "1"의 중첩으로 존재하므로 중간 값을 취할 수 있다. 신중하게 설계된 알고리즘을 통해 중첩을 활용함으로써 양자 컴퓨터는 이론적으로 속도 면에서 기존 컴퓨터보다 몇 배나 뛰어난 성능을 발휘할 수 있다. 슬프게도 실온에서 정보를 인코딩하는 데 적합한 양자 현상을 찾는 것이 어렵다는 것이 입증되었다. Google, IBM 및 Microsoft가 소유한 컴퓨터와 같은 기존 컴퓨터는 섭씨 영하 196.1도 이하의 초저온을 유지해야 하므로 비용이 많이 들고 작동이 비실용적이다.

다행히도 활발하게 연구되고 있는 양자 정보를 인코딩하는 매우 유망한 접근 방식이 있다. 바로 밸리트로닉스 Valleytronics이다. 전하를 제외하고 전자는 조작할 수 있는 또 다른 매개변수, 즉 전자가 차지하는 계곡인 "계곡 유사 스핀"을 가지고 있다. 이러한 소위 계곡은 전자의 에너지 상태와 위치를 지시하는 고체의 에너지 밴드에서 국소 최소값이다. 점유 상태가 양자 역학에 의해 지배되는 계곡은 덜 제한적인 온도에서 양자 정보를 인코딩, 처리 및 저장하는 데 사용할 수 있다.

최근 인도 봄베이의 IIT(Indian Institute of Technology) 과학자 팀과 독일의 Max-Born Institut의 과학자 팀이 밸리트로닉스 분야에서 획기적인 성과를 거두었다. Optica에 게재된 최신 연구에서 그들은 이 분야의 다른 연구자들이 불가능하다고 가정했던 단일층 또는 원시 그래핀에서 밸리 작업을 수행하는 방법을 제시한다. 탄소 나노 물질의 포스터 자식인 그래핀은 육각형 패턴의 탄소 원자로 만들어지며 많은 유리한 특성을 가지고 있다. 원자적으로 얇은 그래핀 층에는 전자 골이 있지만 재료 고유의 대칭성으로 인해 골 작동에는 쓸모가 없는 것으로 간주되었다.

이러한 확률에도 불구하고 연구팀은 빛을 사용하여 그래핀의 밸리 대칭을 깨는 전략을 고안했다. 연구를 주도한 IIT 봄베이의 고팔 딕싯(Gopal Dixit) 부교수는 "그래핀의 삼각형 격자에 따라 두 광선의 편광을 맞춤으로써 두 개의 인접한 탄소 원자 사이의 대칭을 깨고 전자 밴드 구조를 이용하는 것이 가능하다는 것을 발견했다"고 설명했다. 계곡에 가까운 지역에서 계곡 분극을 유도한다." 즉, 이것은 그래핀의 골을 사용하여 정보를 효과적으로 "기록"할 수 있게 한다. Dixit 박사는 또한 빛의 섬광이 전자를 초당 수백 조 번 흔들 수 있다고 강조한다. 이론적으로 이것은 페타헤르츠 속도로 밸리트로닉스가 가능하다는 것을 의미하며, 이는 현대의 계산 속도를 백만 배 초과한다.

그래핀에서 밸리 작업을 수행하는 가장 매력적인 측면 중 하나는 실온에서 수행할 수 있다는 것이다. Dixit 박사는 "우리의 연구는 일반 사람들이 랩톱과 같이 사용할 수 있는 소형 범용 양자 컴퓨터의 문을 열 수 있다."라고 말했다. 양자 컴퓨터가 제공하는 더 빠른 계산 속도를 통해 분자 시뮬레이션, 빅 데이터 분석, 딥 러닝 및 기타 계산 집약적인 작업을 훨씬 더 빠르게 수행할 수 있다. 이는 차례로 신약 개발과 분자 구조 해명에 박차를 가해 코로나19를 비롯한 복잡한 질병의 치료법을 찾는 데 도움이 될 것이다.