상온 양자컴퓨터 구현할 핵심기술 세계 첫 '개발-제어' 성공

표준연 주도 KAIST·성균관대·미국 로렌스 버클리 연구소 공동

(지디넷코리아=박희범 기자)상온에서 작동하는 양자컴퓨터 시대가 조만간 열릴 전망이다.

한국표준과학연구원(KRISS)은 국제 공동 연구로 세계 처음 2차원 상온에서 스커미온을 생성하고 제어하는 데 성공했다고 11일 밝혔다.

3차원 대비 소모 전력은 낮추고 양자 효과는 극대화할 수 있어 상온 양자컴퓨터나 AI 반도체 개발의 핵심 기반 기술로 활용 가능할 전망이다.

KRISS 양승모 선임연구원(왼쪽)과 황찬용 책임연구원. 2차원 스커미온 소자의 성능을 측정하고 있다.(사진=KRISS)

스커미온(Skyrmion)은 소용돌이 모양으로 배열된 스핀(Spin) 구조체다. 이론상 수 나노미터까지 줄일 수 있어 매우 적은 전력으로도 이동할 수 있다.

이때문에 현실에서 스커미온을 자유자재로 만들고 조작할 수 있다면 초저전력·초고성능의 차세대 소자를 개발할 수 있기 때문에 관련 연구가 활발하다.

연구팀은 상온의 2차원 자석 표면에 매우 미세한 전압과 자기장을 공급해 스커미온을 구현한 후, 생성된 스커미온에 전류를 가해 원하는 방향으로 제어를 시도했다.

실험 결과, 기존 3차원에 비해 스커미온 제어에 소비되는 전력이 1천분의 1정도인 것을 확인했다. 크기도 10배 이상 작아져 안정성·속도 측면에서 유리하다.

표준연이 개발한 2차원 스커미온 제어 모식도.(사진=KRISS)

2차원 스커미온의 상온 발현 기술은 최근 미국과 중국에서도 발표됐지만, 발현과 전기적 제어를 모두 성공한 사례는 이번이 세계 처음이다.

양자기센싱그룹 양승모 선임연구원은 "지난 해 2월 3차원 스커미온 트랜지스터를 개발한 지 약 1년 만에 2차원 환경에서도 생성·제어하는 데 성공했다"며 "차세대 스핀트로닉스(Spintronics) 소자 개발에 한 발 더 다가서게 됐다"고 말했다.

양 선임 연구원은 "이번 기술은 상온에서 스커미온의 양자 현상을 극대화해 상온 큐비트 제작에 활용할 수 있다"며 "초저온 환경에서만 구동하던 기존 양자컴퓨터의 한계를 넘은 ‘상온 양자컴퓨터’ 개발의 문을 연 것"이라고 의미를 부여했다.

연구팀이 상용화를 위해선 풀어야할 고비가 4단계 정도 남았다. 현재 스커미온이 100㎚ 크기인데, 이를 10㎚까지 줄이는 연구를 진행 중이다. 또 이를 보는 관측기술도 추가 개발해야 한다.

양 선임 연구원은 또 "AI의 발전과 함께 전력 수요가 폭증하면서 초저전력 반도체 소자의 필요성이 커지는 추세”라며 “이번에 개발한 스커미온 제어 기술을 응용하면 차세대 AI 반도체 소자도 설계할 수 있을 것”이라고 기대감을 나타냈다.

과학기술정보통신부 나노및소재기술개발사업의 지원을 받은 이 연구는 KRISS 양자기술연구소 양자자기센싱그룹과 KAIST 김갑진 교수 연구팀, 성균관대학교 이창구 교수 연구팀, 미국 로렌스 버클리 국립 연구소(LBNL) 임미영 박사가 공동으로 참여했다.

2차원 환경에서 구현한 스커미온의 전기적 제어 실험 이미지

연구결과는 지난 달 국제 학술지 술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF: 29.4)에 게재됐다.

박희범 기자(hbpark@zdnet.co.kr)