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KAIST 연구진

국내 연구진이 자기 성질을 가진 물질인 자성체를 활용해 양자컴퓨팅의 핵심 기술을 실증하는 데 성공했다.자석의 성질을 이용해 양자 연산에 필요한 여러 개의 신호가 겹치며 진동하는‘결맞은 간섭 현상’을 구현하는 데 성공한 것이다.자성체 기반 양자 컴퓨팅 플랫폼 개발에 활용될 것으로 기대된다.

KAIST는 김갑진 물리학과 교수 연구팀이 미국 아르곤국립연구소,릴잼스 슬롯일리노이대 어배너샴페인(UIUC) 연구팀과 공동연구를 통해‘광자-마그논 하이브리드 칩’을 개발하고 자성체에서 다중 펄스 간섭 현상을 실시간으로 구현하는 데 세계 최초로 성공했다고 6일 밝혔다.

연구팀은 빛과 자석 내부의 진동인 마그논이 함께 작동하는 특수한 칩을 개발해 멀리 떨어진 자석 사이에서 위상 정보를 전송하고 여러 개의 신호가 서로 간섭하는 현상을 실시간으로 관측하고 조절하는 데 성공했다.연구팀은 “자석이 양자 연산의 핵심 부품으로 활용될 수 있다는 것을 보여준 세계 최초의 실험으로 자성체 기반 양자컴퓨팅 플랫폼 개발의 중요한 전환점이 될 것”이라고 말했다.

자석의 N극과 S극은 원자 내부에 존재하는 전자의 스핀에서 나온다.여러 원자가 모였을 때 나타나는 스핀들의 집단적인 진동 상태를‘마그논’이라고 한다.

마그논은 정보를 한쪽으로만 전달하는 비상호성 특성으로 양자 노이즈 차단을 통한 소형 양자 칩 개발에 응용될 수 있다.광 및 마이크로파와 동시에 결합할 수 있어 양자 정보를 수십 킬로미터(km) 거리로 전송하는 양자 통신 소자로도 응용이 가능하다.

특수한 자석 물질인 반강자성체를 이용하면 양자컴퓨터의 작동 주파수를 기존 기술보다 훨씬 빠른 속도인 테라헤르츠(THz) 대역으로 높일 수 있다.현재 양자컴퓨터 하드웨어 한계를 뛰어넘어 복잡한 냉각 장비 없이도 상온에서 작동하는 양자컴퓨터의 개발도 기대해 볼 수 있다.

마그논을 기반으로 한 양자컴퓨팅과 통신 시스템 전반의 구현에 필요한 기술을 실현하기 위해서는 마그논의 파동이 언제부터 시작되고 움직이는지에 대한 정보를 실시간으로 전송 및 측정하고 제어하는 기술이 필수적이다.

연구팀은 작은 자석 구슬인 이트륨 철 가넷(YIG) 2개를 12밀리미터(mm) 간격으로 배치했다.그 사이에 구글,토토 사이트 신고 후기 베스트 온라인 카지노카지노사이트검증사이트IBM 등의 양자컴퓨터에서 사용되는 회로인 초전도 공진기를 설치하고 한쪽 자석에 신호(펄스)를 넣어서 다른 자석까지 정보가 잘 전달되는지를 측정했다.

그 결과 수 나노초(ns) 길이의 아주 짧은 하나의 펄스부터 최대 4개의 마이크로파 펄스를 입력했을 때 그로 인해 생기는 자석 내부의 진동인 마그논이 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 결맞음 간섭 현상을 실시간 도메인에서 관측하는 데 성공한 것이다.

나아가 연구팀은 여러 신호의 주파수와 이들 간의 시간 간격을 조절해 자석 안에 생기는 마그논의 간섭 패턴을 임의로 제어할 수 있음을 입증했다.전기 신호 입력을 통해 마그논의 양자 상태를 자유롭게 제어할 가능성을 처음으로 입증했다.

연구팀은 또 양자 정보 처리 분야에서 필수적인 여러 개의 신호(다중 펄스)를 활용한 양자 게이트 연산이 자성체-초전도 회로 하이브리드 시스템에서도 구현될 수 있음을 확인했다.연구팀은 “자성체 기반 양자 소자가 실질적으로 양자컴퓨팅에 활용될 수 있는 가능성을 열어준다는 점에서 중요한 의미를 가진다”고 말했다.

연구를 이끈 김갑진 교수는“이번 연구는‘세상에 없는 기술을 제안하라’는 KAIST 글로벌 특이점 연구사업에‘자석으로 양자컴퓨터를 개발할 수 있을까’라는 다소 엉뚱하지만 모험적인 아이디어를 제안하며 시작됐다“고 소개했다.

이어 “연구 결과는 양자 스핀트로닉스라는 새로운 연구 분야의 가능성을 열었을 뿐만 아니라 고효율 양자정보 처리 장치 개발을 위한 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다”고 말했다.연구 결과는 국제학술지‘npj 스핀트로닉스(npj spintronics)’와 `네이처 커뮤니케이션즈'에 지난달 1일과 17일에 각각 게재됐다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s44306-025-00072-5

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