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- KAIST-미국 아르곤 국립연구소-일리노이대 어바나-샴페인
- 초전도 회로와 자성체 결합 광자-마그논 하이브리드 칩 개발
이번 연구를 수행한 김갑진(오른쪽) KAIST 물리학과 교수와 송무진 박사.[KAIST 제공]
[헤럴드경제=구본혁 기자] KAIST와 미국 국제 공동연구진이‘자기 성질을 가진 물질(자성체)’을 활용해 양자컴퓨팅의 핵심기술을 세계 최초 실증에 성공했다.
KAIST는 물리학과 김갑진 교수 연구팀이 미국 아르곤 국립 연구소,일리노이대 어바나-샴페인와 공동연구를 통해‘광자-마그논 하이브리드 칩’을 개발하고 자성체에서 다중 펄스 간섭 현상을 실시간으로 구현하는 데 세계 최초로 성공했다고 7일 밝혔다.
쉽게 설명하면,연구팀은‘빛’과‘자석 내부의 진동(마그논)’이 함께 작동하는 특수한 칩을 개발해 멀리 떨어진 자석 사이에서 신호(위상 정보)를 전송하고,여러 개의 신호가 서로 간섭하는 현상을 실시간으로 관측하고 조절하는 데 성공한 것이다.
이는 자석이 양자 연산의 핵심 부품으로 활용될 수 있다는 것을 보여준 세계 최초의 실험으로,자성체 기반 양자컴퓨팅 플랫폼 개발의 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다.
자석의 N극과 S극은 원자 내부에 존재하는 전자의 스핀(spin)에서 나오게 되는데,여러 원자가 모였을 때 나타나는 스핀들의 집단적인 진동 상태를 마그논(magnon)이라고 한다.
마그논은 정보를 한쪽으로만 전달하는 비상호성(nonreciprocity) 특성을 가질 수 있어,양자 노이즈 차단을 통한 소형 양자 칩 개발에 응용될 수 있고,광 및 마이크로파와 동시에 결합할 수 있어 양자 정보를 수십 km 거리로 전송하는 양자 통신 소자로도 응용이 가능하다.
또한 특수한 자석 물질인 반강자성체(antiferromagnet)를 이용하면 양자컴퓨터의 작동 주파수를 훨씬 빠른 속도,THz(테라헤르츠) 대역으로 높여서 현재 양자컴퓨터 하드웨어 한계를 뛰어넘는,
솔레 어 리조트복잡한 냉각 장비 없이도 상온에서 작동하는 양자컴퓨터의 개발이 가능할 수 있다.
김갑진 교수 연구팀은 작은 자석 구슬인 이트륨 철 가넷(Yttrium Iron Garnet,YIG) 2개를 12 mm 간격으로 배치하고,그 사이에 구글,IBM 등의 양자컴퓨터에서 사용되는 회로인 초전도 공진기를 설치하여 한쪽 자석에 신호(펄스)를 넣어서 다른 자석까지 정보가 잘 전달되는지를 측정했다.
초전도 회로 기반 마그논-광자 하이브리드 시스템.[KAIST 제공]
그 결과,
갤럭시 호텔 카지노수 나노초(ns) 길이의 아주 짧은 하나의 펄스부터 최대 네 개의 마이크로파 펄스를 입력했을 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 데 성공했다.
특히 연구팀은 여러 펄스(신호)의 주파수와 이들 간의 시간 간격을 조절하여 자석 안에 생기는 마그논의 간섭 패턴을 임의로 제어할 수 있음을 입증함으로써,전기 신호 입력을 통해 마그논의 양자 상태(위상 정보)를 자유롭게 제어할 가능성을 처음으로 입증하였다.
이번 연구는 양자 정보 처리 분야에서 필수적인 여러 개의 신호(다중 펄스)를 활용한 양자 게이트 연산이 자성체-초전도 회로 하이브리드 시스템에서도 구현될 수 있음을 보여준다.이 결과는 자성체 기반 양자 소자가 실질적으로 양자컴퓨팅에 활용될 수 있는 가능성을 열어준다는 점에서 중요한 의미를 가진다.
김갑진 교수는 “이번 연구 결과는 양자 스핀트로닉스(quantum spintronics)라는 새로운 연구 분야의 가능성을 열었을 뿐만 아니라,
모두의슬롯 슬롯검증사이트고효율 양자정보 처리 장치 개발을 위한 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구결과는 국제학술지‘엔피제이 스핀트로닉스’와‘네이처 커뮤니케이션즈’에 1일과 17일 각각 게재됐다.
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