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자성체로 양자컴퓨팅 구현 가능성 실증
고효율 양자정보 처리 중요 전환점 기대
한미 공동연구진이‘자기 성질을 가진 물질(자성체)’을 활용해 양자컴퓨터의 핵심 기술을 실증했다.자석이 양자 연산의 핵심 부품으로 활용될 수 있다는 것을 보여준 세계 최초의 실험으로,자성체 기반 양자컴퓨터 개발의 전환점이 될 것으로 기대된다.
한국과학기술원(KAIST·카이스트)과 미국 아르곤 국립연구소,일리노이대 어바나-샴페인 캠퍼스 공동 연구진은 자성체 기반‘광자-마그논 하이브리드 칩’을 개발해 양자 연산의 핵심인 '다중 펄스 간섭 현상'을 구현하는 데 성공했다고 6일 밝혔다.
자석의 성질은 원자 내 전자의 고유한 회전 성질(스핀)에서 비롯되며,여러 스핀이 집단적으로 진동할 때 마그논이 생성된다.마그논은 정보를 한 방향으로만 전달하는 특성이 있어,양자 시스템에서 발생하는 양자 노이즈(소음) 차단이 필요한 소형 양자 칩 개발에 유리하다.또한 광자,마이크로파와 결합할 수 있어 양자 정보를 수십 ㎞ 거리로 전송하는 통신 소자로 활용할 가능성도 있다.
이번 실험은 마그논과 빛(광자)이 결합된 특수한 칩을 통해 멀리 떨어진 자석들 사이에서 위상 정보를 포함한 신호를 전송하고,그 과정을 실시간으로 조절하고 관측한 것이다.연구진은 이트륨 철 가넷(YIG) 소재의 작은 자석 구슬 두 개를 12㎜ 간격으로 배치하고,아이폰 13 sd카드 슬롯그사이에 양자컴퓨터에 사용되는 회로인 초전도 공진기를 설치했다.이후 한쪽 자석에 입력한 신호(펄스)가 다른 자석까지 손실 없이 전달되는 것을 확인했으며,신호가 서로 간섭할 때 위상 정보가 유지되면서도 보강 또는 상쇄되는‘결맞음 간섭 현상’을 실시간으로 관측했다.
연구진은 또 신호의 주파수와 시간 간격을 조절해 마그논의 간섭 패턴을 임의로 제어할 수 있음을 보여줬다.이는 전기 신호를 통해 마그논의 양자 상태를 자유롭게 제어할 수 있다는 가능성을 세계 최초로 입증한 사례다.
연구는 네이처 커뮤니케이션스 등 국제학술지에 게재됐다.연구에 참여한 김갑진 카이스트 물리학과 교수는 “이번 연구는 전자의 스핀 성질을 이용한‘양자 스핀트로닉스’라는 새로운 연구 분야의 가능성을 열고,고효율 양자정보 처리 장치 개발을 위한 중요한 전환점이 될 것”이라고 말했다.
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