한-미 연구진이 자석을 이용한 양자컴퓨팅 핵심 기술을 상온에서 처음 실증했다.

KAIST(총장 이광형)는 물리학과 김갑진 교수 연구팀이 미국 아르곤 국립 연구소 및 일리노이대 어바나-샴페인(UIUC)과 ‘광자-마그논 하이브리드 칩’을 개발해 자성체에서 다중 펄스 간섭 현상을 실시간으로 구현하는 데 세계 최초로 성공했다고 6일 밝혔다.

연구팀은 ‘빛’과 ‘자석 내부의 진동(마그논)’이 함께 작동하는 특수한 칩을 개발했다. 이 칩은 멀리 떨어진 자석 사이에서 신호(위상 정보)를 전송하고, 여러 개의 신호가 서로 간섭하는 현상을 실시간 관측하고 조절이 가능하다.

김갑진 교수는 "자석이 양자 연산의 핵심 부품으로 활용될 수 있다는 것을 보여준 세계 최초의 실험"이라며 "자성체 기반 양자컴퓨팅 플랫폼 개발의 중요한 전환점이 될 것"으로 기대했다.

자석 N극과 S극은 원자 내부에 존재하는 전자 스핀(spin)에서 나오는데, 여러 원자가 모였을 때 나타나는 스핀들의 집단적인 진동 상태를 마그논이라고 한다.

마그논은 정보를 한쪽으로만 전달하는 비상호성 특성이 나타난다. 이는 양자 노이즈 차단을 통한 소형 양자 칩 개발에 응용된다. 광 및 마이크로파와 동시에 결합할 수 있어 양자 정보를 수십 km 거리로 전송하는 양자 통신 소자로도 응용 가능하다.

또한, 특수한 자석 물질인 반강자성체를 이용하면 양자컴퓨터 작동 주파수를 훨씬 빠른 테라헤르츠(THz) 대역으로 높여 현재 양자컴퓨터 하드웨어 한계를 뛰어 넘을 수 있다. 복잡한 냉각 장비 없이도 상온에서 작동하는 양자컴퓨터의 개발이 가능하다는 의미다.

그러나, 마그논을 기반으로 한 양자컴퓨팅과 통신 시스템 전반의 구현에 필요한 이 모든 기술을 실현하기 위해서는 마그논 위상 정보, 즉 마그논 파동이 언제부터 시작되고 움직이는지에 대한 정보를 실시간으로 전송 및 측정하고, 그것을 제어하는 기술이 필수적이었다.

김갑진 교수 연구팀이 이 문제를 해결한 것. 연구팀은 작은 자석 구슬인 이트륨 철 가넷(YIG) 2개를 12㎜간격으로 배치하고, 그 사이에 구글, IBM 등의 양자컴퓨터에서 사용되는 회로인 초전도 공진기를 설치해 한쪽 자석에 신호(펄스)를 넣어서 다른 자석까지 정보가 잘 전달되는지를 측정했다.

이 결과, 수 나노초(ns) 길이의 아주 짧은 하나의 펄스부터 최대 네 개의 마이크로파 펄스를 입력하였을 때 그로 인해 생기는 자석 내부의 진동(마그논)이 초전도 회로를 통해 멀리 있는 다른 자석까지 손실 없이 전달되는 것을 확인했다.

여러 펄스 사이에 간섭을 일으켰을 때 각각의 위상 정보를 유지하며 신호가 예측대로 보강 또는 상쇄되는 것(결맞음 간섭 현상)을 실시간 도메인에서 관측하는 데도 성공했다.

김갑진 교수는 "여러 펄스(신호)의 주파수와 이들 간의 시간 간격을 조절해 자석 안에 생기는 마그논의 간섭 패턴을 임의로 제어할 수 있음을 입증했다"며 "전기 신호 입력을 통해 마그논 양자 상태(위상 정보)를 자유롭게 제어할 수 있음을 의미한다"고 설명했다.

김 교수는 "이 연구는 양자 정보 처리 분야에서 필수적인 여러 신호(다중 펄스)를 활용한 양자 게이트 연산이 자성체-초전도 회로 하이브리드 시스템에서도 구현될 수 있다는 것을 보여줬다"며 "자성체 기반 양자 소자가 실질적으로 양자컴퓨팅에 활용될 수 있는 가능성을 열어준 것"이라고 부연설명했다.

자성체-초전도 회로 하이브리드 시스템은 자성체의 마그논과 초전도 회로를 결합, 서로의 장점을 살린 새로운 양자 연산 시스템이다.

김 교수는 "‘세상에 없는 기술을 제안하라’는 KAIST 글로벌 특이점 연구사업에‘ 자석으로 양자컴퓨터를 개발할 수 있을까?라는 다소 엉뚱하지만 모험적인 아이디어를 제안하며 연구가 시작됐다"고 말했다.

연구는 물리학과 송무준 박사후연구원이 제1 저자로 참여했다. 미국 아르곤 국립 연구소 이 리(Yi Li) 박사, 발렌틴 노보사드 박사, 일리노이 주립대학교(UIUC)의 악셀 호프만 교수 연구팀이 참여했다.

연구결과는 국제 학술지 ‘엔피제이 스핀트로닉스’와 `네이처 커뮤니케이션즈'에 게재됐다.