KAIST, 자석으로 양자컴퓨팅 시대 연다! 한·미 공동 연구, 세계 최초 기술 실증! 꿈의 기술 현실로?

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한·미 공동 연구팀, 자석 이용 양자컴퓨팅 핵심 기술 세계 최초 실증!

게시일: 2025년 5월 8일 (기사 원문: 2025년 5월 6일, 박희범 기자)

놀라운 소식입니다! KAIST 물리학과 김갑진 교수 연구팀이 미국 아르곤 국립 연구소 및 일리노이대 어바나-샴페인(UIUC)과 공동으로 '광자-마그논 하이브리드 칩'을 개발하여, 자석을 이용한 양자컴퓨팅 핵심 기술을 세계 최초로 실증했습니다. 이는 미래 컴퓨팅 기술에 혁명적인 변화를 가져올 중요한 전환점이 될 것으로 기대됩니다.

자석과 빛의 만남: 광자-마그논 하이브리드 칩이란?

연구팀은 '빛(광자)'과 '자석 내부의 스핀 진동(마그논)'이 함께 작동하는 특별한 칩을 개발했습니다. 이 칩은 멀리 떨어진 자석 사이에서도 양자 정보(위상 정보)를 손실 없이 전송하고, 여러 신호 간의 간섭 현상을 실시간으로 관측하고 제어할 수 있는 획기적인 기술입니다.

김갑진 교수는 "자석이 양자 연산의 핵심 부품으로 활용될 수 있다는 것을 보여준 세계 최초의 실험"이라며, "자성체 기반 양자컴퓨팅 플랫폼 개발의 중요한 전환점이 될 것"이라고 연구의 의의를 강조했습니다.

KAIST 김갑진 교수(오른쪽)와 송무준 박사 (사진=KAIST 제공)

마그논, 양자 기술의 새로운 가능성을 열다

자석의 N극과 S극을 만드는 근원인 전자 스핀. 이러한 스핀들이 집단적으로 진동하는 상태를 '마그논'이라고 합니다. 마그논은 다음과 같은 독특한 특성으로 양자 기술 분야에서 주목받고 있습니다:

• 비상호성: 정보를 한쪽으로만 전달하여 양자 노이즈를 효과적으로 차단하고, 소형 양자 칩 개발에 유리합니다.
• 광범위한 결합성: 빛(광자) 및 마이크로파와 동시에 결합할 수 있어, 양자 정보를 수십 km 거리까지 전송하는 양자 통신 소자로 응용될 수 있습니다.
• 테라헤르츠(THz) 대역 작동 가능성: 반강자성체라는 특수 자석 물질을 활용하면 양자컴퓨터의 작동 주파수를 현재보다 훨씬 빠른 THz 대역으로 높여, 기존 양자컴퓨터 하드웨어의 한계를 극복할 수 있습니다.
• 상온 작동 가능성: 복잡한 극저온 냉각 장비 없이도 상온에서 작동하는 양자컴퓨터 개발의 길을 열 수 있습니다. 이는 설비 비용 및 운영 효율성 측면에서 엄청난 이점을 제공합니다.

기술적 과제 해결: 마그논 위상 정보 제어 성공

지금까지 마그논 기반 양자컴퓨팅 및 통신 시스템을 구현하기 위해서는 마그논의 위상 정보(파동의 시작과 움직임)를 실시간으로 전송, 측정, 제어하는 기술이 필수적이었습니다. 김갑진 교수 연구팀은 이트륨 철 가넷(YIG)이라는 작은 자석 구슬 두 개를 12mm 간격으로 배치하고, 그 사이에 초전도 공진기(구글, IBM 등에서 사용하는 양자컴퓨터 회로)를 설치하여 이 문제를 해결했습니다.

실험 결과, 수 나노초(ns) 길이의 짧은 마이크로파 펄스를 입력했을 때 발생하는 마그논이 초전도 회로를 통해 다른 자석까지 손실 없이 전달되었으며, 여러 펄스 간의 간섭 현상(결맞음 간섭 현상)도 성공적으로 관측했습니다. 이는 전기 신호 입력을 통해 마그논 양자 상태를 자유롭게 제어할 수 있음을 의미합니다.

자성체로 양자컴퓨팅을 구현한 실험 데이터. (a) 연속파 측정을 통한 마그논-마그논 밴드 안티크로싱, (b) 진동 현상, (c, d) 이중 펄스 인가에 따른 마그논 간섭 현상 (사진=KAIST 제공)

기존 양자 기술과의 비교 및 기대 효과

이번에 개발된 자성체-초전도 회로 하이브리드 시스템은 기존 양자컴퓨팅 방식과 비교하여 다음과 같은 잠재적 이점을 가집니다. 이는 설비 투자 및 운영 관점에서 중요한 고려 사항이 될 수 있습니다.

특징	자성체 기반 양자컴퓨팅 (이번 연구)	기존 초전도체 기반 양자컴퓨팅
작동 온도	상온 작동 가능성 제시	극저온 냉각 필수
작동 주파수	테라헤르츠(THz) 대역 목표	기가헤르츠(GHz) 대역
정보 손실	낮은 손실 (비상호성 활용)	환경 노이즈에 민감
소자 크기	소형화 가능성 높음	상대적으로 큼
설비 복잡도	낮아질 가능성	높음 (냉각 시스템 등)
운영 비용	절감 기대	높음

위 표는 일반적인 특성을 비교한 것이며, 실제 구현 및 상용화 단계에서는 다양한 변수가 고려되어야 합니다.

이러한 장점들은 향후 양자컴퓨터의 대중화와 다양한 산업 분야로의 확산에 크게 기여할 것으로 보입니다. 특히, 복잡한 설비 없이 상온에서 구동 가능한 양자컴퓨터는 현재의 기술적, 경제적 장벽을 크게 낮출 수 있습니다.

연구의 시작과 협력, 그리고 미래 전망

김 교수는 KAIST의 '세상에 없는 기술을 제안하라'는 글로벌 특이점 연구사업에 "자석으로 양자컴퓨터를 개발할 수 있을까?"라는 다소 모험적인 아이디어로 연구를 시작했다고 밝혔습니다. 이번 연구는 KAIST 물리학과 송무준 박사후연구원이 제1 저자로 참여했으며, 미국 아르곤 국립 연구소의 이 리(Yi Li) 박사, 발렌틴 노보사드 박사, 그리고 일리노이 주립대학교(UIUC) 악셀 호프만 교수 연구팀과의 긴밀한 국제 협력을 통해 이루어졌습니다.

연구 결과는 세계적인 학술지인 '엔피제이 스핀트로닉스(npj Spintronics)'와 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재되어 그 학문적 우수성을 인정받았습니다.

KAIST가 개발한 초전도 회로 기반 마그논-광자 하이브리드 시스템. (a) 소자 개략도, (b) 실제 소자 사진 (사진=KAIST 제공)

이번 연구는 자성체 기반 양자 소자가 실질적으로 양자컴퓨팅에 활용될 수 있는 새로운 가능성을 열었으며, 앞으로 더욱 발전된 양자 기술 시대를 앞당기는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. 특히 도금 및 표면처리 기술과 같이 정밀한 제어와 분석이 요구되는 분야에서도 미래에는 양자 기술이 혁신적인 솔루션을 제공할 수 있을지 주목됩니다.

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