카이스트 연구진, "자석이 양자컴퓨터 핵심부품 될 수 있다" 세계 첫 입증

자성체로 양자컴퓨팅 구현 가능성 실증
고효율 양자정보 처리 중요 전환점 기대

'광자-마그논 하이브리드 칩'을 이용한 자성체 기반 양자 상태 제어 실험에 성공한 김갑진(왼쪽) 카이스트 물리학과 교수, 송무준 카이스트 물리학과 박사후 연구원. 카이스트 제공

한미 공동연구진이 ‘자기 성질을 가진 물질(자성체)’을 활용해 양자컴퓨터의 핵심 기술을 실증했다. 자석이 양자 연산의 핵심 부품으로 활용될 수 있다는 것을 보여준 세계 최초의 실험으로, 자성체 기반 양자컴퓨터 개발의 전환점이 될 것으로 기대된다.

한국과학기술원(KAIST·카이스트)과 미국 아르곤 국립연구소, 일리노이대 어바나-샴페인 캠퍼스 공동 연구진은 자성체 기반 ‘광자-마그논 하이브리드 칩’을 개발해 양자 연산의 핵심인 '다중 펄스 간섭 현상'을 구현하는 데 성공했다고 6일 밝혔다.

자석의 성질은 원자 내 전자의 고유한 회전 성질(스핀)에서 비롯되며, 여러 스핀이 집단적으로 진동할 때 마그논이 생성된다. 마그논은 정보를 한 방향으로만 전달하는 특성이 있어, 양자 시스템에서 발생하는 양자 노이즈(소음) 차단이 필요한 소형 양자 칩 개발에 유리하다. 또한 광자, 마이크로파와 결합할 수 있어 양자 정보를 수십 ㎞ 거리로 전송하는 통신 소자로 활용할 가능성도 있다.

이번 실험은 마그논과 빛(광자)이 결합된 특수한 칩을 통해 멀리 떨어진 자석들 사이에서 위상 정보를 포함한 신호를 전송하고, 그 과정을 실시간으로 조절하고 관측한 것이다. 연구진은 이트륨 철 가넷(YIG) 소재의 작은 자석 구슬 두 개를 12㎜ 간격으로 배치하고, 그사이에 양자컴퓨터에 사용되는 회로인 초전도 공진기를 설치했다. 이후 한쪽 자석에 입력한 신호(펄스)가 다른 자석까지 손실 없이 전달되는 것을 확인했으며, 신호가 서로 간섭할 때 위상 정보가 유지되면서도 보강 또는 상쇄되는 ‘결맞음 간섭 현상’을 실시간으로 관측했다.

연구진은 또 신호의 주파수와 시간 간격을 조절해 마그논의 간섭 패턴을 임의로 제어할 수 있음을 보여줬다. 이는 전기 신호를 통해 마그논의 양자 상태를 자유롭게 제어할 수 있다는 가능성을 세계 최초로 입증한 사례다.

연구는 네이처 커뮤니케이션스 등 국제학술지에 게재됐다. 연구에 참여한 김갑진 카이스트 물리학과 교수는 “이번 연구는 전자의 스핀 성질을 이용한 ‘양자 스핀트로닉스’라는 새로운 연구 분야의 가능성을 열고, 고효율 양자정보 처리 장치 개발을 위한 중요한 전환점이 될 것”이라고 말했다.

신혜정 기자 arete@hankookilbo.com