한미 공동연구팀이 자석을 이용해 양자컴퓨터의 핵심 기술을 실증하는 데 성공했다.

한국과학기술원(KAIST)은 물리학과 김갑진 교수와 미국 아르곤국립연구소(ANL), 일리노이대 어바나-샴페인 캠퍼스(UIUC) 공동 연구팀이 '광자-마그논 하이브리드 칩' 자성체에서 최초로 다중 신호 간섭 현상을 구현해 냈다고 6일 밝혔다.

양자컴퓨터는 기존 비트(0과 1로 정보를 표현하는 단위)를 뛰어넘어 큐비트(정보를 0과 1의 상태를 동시에 갖는 중첩 상태)를 계산의 기본 단위로 사용하기 때문에 기존 컴퓨터보다 월등히 뛰어난 연산 성능을 보인다.

양자컴퓨터를 구현할 유망 소재로 마그논이 주목받고 있다.

마그논은 자성 물질에서 양자 스핀(회전)이 도미노처럼 서로 영향을 주며 집단으로 에너지가 전달되는 소재의 형태를 말한다.

양자 스핀 하나에 에너지를 가하면 물결치듯 다른 스핀으로 전달하는 고유의 특성을 이용해 여러 신호를 동시에 초저전력으로 보낼 수 있으며, 특히 정보를 한쪽으로만 전달하는 비상호성 덕분에 노이즈 차단에 유리하다.

다만 마그논의 전파 거리가 짧고 결맞음(파동의 간섭 현상) 상태를 유지하기 어려워 양자 소자에 적용하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 빛과 마그논이 함께 작동하는 칩을 개발, 멀리 떨어진 자석 사이에서 신호를 전송하고 여러 개의 신호가 서로 간섭하는 현상을 실시간으로 관측하는 데 성공했다.

2개의 작은 자석 구슬(이트륨 철 가넷) 사이에 양자컴퓨터 회로로 쓰이는 초전도 공진기를 설치, 한쪽 자석에 신호(펄스)를 넣어서 다른 자석까지 정보가 전달되는지 측정했다.

마이크로파 펄스를 수 나노초(ns,10억분의 1초) 단위로 순간적으로 가한 뒤 맞은편 자석 구슬까지의 마그논 신호 전달을 측정한 결과, 손실 없이 전달된 것으로 나타났다.

마이크로파 펄스를 두 번 이상 연속 주입해도 펄스 간의 시간 간격과 주파수를 정밀하게 제어함으로써 마그논의 결맞음 상태를 임의로 제어할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

김갑진 교수는 "이번 연구는 '세상에 없는 기술을 제안하라'는 KAIST의 글로벌 특이점 연구사업에서 시작됐다"며 "고효율 양자정보 처리 장치 개발을 위한 중요한 전환점이 될 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 '엔피제이 스핀트로닉스'(npj spintronics)와 '네이처 커뮤니케이션즈' (Nature Communications)'에 각각 지난 1일, 17일 자로 실렸다.