표준연과 KAIST, 양자컴퓨팅·양자정보기술 연구 가속할 단일 전자원 개발

표준연, KAIST 공동연구팀 모습. 사진 왼쪽부터 서민기 표준연 책임연구원, 박완기 KAIST 박사과정생, 김범규, 배명호, 김남 표준연 책임연구원.

한국표준과학연구원(원장 박현민)과 한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)이 양자정보기술에 활용 가능한 새로운 단일 전자원을 개발했다. 기존보다 연구비용·시간을 절감하면서 성능은 높일 수 있다.

단일 전자원은 반도체 소자로 전자 입자를 하나씩 내보내는 장치다. 양자정보기술이나 양자컴퓨팅에 필요한 양자 상태를 구현하려면 이처럼 독립적인 입자 제어가 필수다.

다만 양자기술 연구는 단일 전자가 아닌 단일 광자를 활용한 방식이 주를 이뤘다. 기존 단일 전자원은 사용 에너지가 너무 높거나 낮아 양자 현상 관측, 전자나 정공(전자가 채워져야 할 곳에 있지 않아 생기는 구멍) 분리가 어렵기 때문이다.

이번에 개발한 단일 전자원은 이차원 화합물 반도체에 전기장을 가해 양자우물을 만든 뒤 흡수된 전자를 에너지 필터를 거쳐 일정한 시간 간격으로 원하는 채널에 내보내는 원리다. 기존 단일 전자원들이 가진 장점만을 결합해 복잡한 테크닉이나 고가 장비 없이 양자컴퓨팅·양자정보기술에 활용할 수 있게 했다.

이를 양자기술에 접목하면 단일 광자원을 활용할 때보다 양자 상태 제어가 쉽다. 또 확장성과 집적성이 우수하다. 웨이퍼 위에 여러 개 전자원을 붙이거나 작은 면적 소자에 수십 개 큐비트(양자컴퓨팅 기본 정보 단위)를 구현할 수 있다. 양산 산업 인프라가 이미 갖춰져 있다는 것도 장점이다.

배명호 표준연 단일전자양자소자팀 책임연구원은 “이번 연구 결과는 국내 양자컴퓨팅양자정보기술 연구 시간과 비용을 대폭 단축할 성과”라며 “단일 전자원을 양자컴퓨팅에 적용하면 초전도나 스핀을 이용한 양자컴퓨팅보다 연산속도가 월등히 빨라질 것”이라고 전망했다.

연구진은 개발 단일 전자원을 활용해 큐비트 시스템을 구축할 계획이다.

과학기술정보통신부 선도연구센터사업과 표준연 기본사업 등으로 수행한 이번 연구 성과는 나노분야 세계적 권위지인 나노 레터스에 11월 게재됐다.

김영준기자 kyj85@etnews.com