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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,복잡한 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,수 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,김한울 도박고효율 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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