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ETRI, 양자컴퓨팅 8광자 큐비트 칩 세계 최초 개발

양자 컴퓨팅 기술 구현으로 글로벌 경쟁력 제고 기대

김영도 기자 | 기사입력 2024/09/04 [15:03]

ETRI, 양자컴퓨팅 8광자 큐비트 칩 세계 최초 개발

양자 컴퓨팅 기술 구현으로 글로벌 경쟁력 제고 기대

김영도 기자 | 입력 : 2024/09/04 [15:03]

▲ ETRI 양자컴퓨팅연구실 이종무 박사와 연구진(사진=한국전자통신연구원).


(커넥트 데일리=김영도 기자) 세계 최초로 양자컴퓨터에 사용되는 광자(光子)방식의 8광자 큐비트(Qubit) 집적회로 칩이 국내 연구진에 의해 개발돼 비상한 관심이 쏠린다.

 

한국전자통신연구원(ETRI) 양자기술연구본부는 4일 실리콘포토닉스 양자칩을 확장해 광자 8개를 제어할 수 있는 시스템을 완성하고, 8개의 광자에 의해 발생하는 양자 현상들을 실험 중이라고 밝혔다. 

 

양자기술연구본부 연구진이 성과를 보인 광자 기반 기술은 양자컴퓨터를 만드는 방법 중 가장 유력한 기술 중 하나로 손톱만 한 크기의 실리콘 칩에 광자기반 양자 회로를 포함한 실리콘 포토닉스 양자 칩을 만들고, 여러 개의 양자 칩들을 네트워크로 연결해 범용 양자컴퓨팅을 구현하는 기술이다. 

 

국내 연구진이 세계에서 처음으로 빛 알갱이 즉, 광자(光子)방식의 8광자 큐비트(Qubit) 집적회로 칩 개발에 성공하면서 양자컴퓨터 글로벌 경쟁력을 한층 끌어올렸다는 평가를 낳고 있다.

 

특히, 8큐비트 생성 및 제어 양자칩을 개발해 6큐비트 양자얽힘 현상 확인 결과가 실리콘 기반 광기술(Si Photonics) 집적회로 기준으로 세계 최초의 성과라는데 큰 의미가 있다.

 

무엇보다 광자 기술을 적용해 시공간 상에서 양자의 얽힘 구현을 가능하게 만들었다.

 

연구진은 그동안 실리콘포토닉스 양자칩 연구를 꾸준히 추진해 왔고 지난해 KAIST와 이탈리아 트렌토(Trento) 대학과 협력해 광자 4개를 제어할 수 있는 4큐비트 실리콘 포토닉스 칩에서 2큐비트와 4큐비트 양자 얽힘을 구현해 세계 최고의 성능을 보여줬다.

 

또 이런 결과를 세계적인 학술지 ‘포토닉스 리서치(Photonics Research)’와 ‘에이피엘 포토닉스(APL Photonics)’에 각각 게재했다.

 

ETRI는 2큐비트 및 4큐비트 양자얽힘 논문 발표 이후 8큐비트로 확장된 칩을 제작해 6큐비트 양자얽힘 현상도 이번에 확인했다. 

 

광자생성기, 위상변조기, 스위치 등 다양한 광학소자를 이번 새로 만든 칩에 만들어 넣어 빛의 경로를 조절해 양자 간섭을 구현한 것이다.

 

광자가 가는 길을 두 개로 나누어 위로 가면 0, 아래로 가면 1로 표현하는데, 4큐비트의 빛이 가는 길이 위 아래 합쳐 총 8개로 8큐비트는 16개이다.

 

8광자 큐비트(Qubit) 집적회로 칩 개발로 컴퓨터의 기본적 역할인 정보전달 및 변환 수행이 가능하며 단일광자 검출기를 통해 양자 상태를 측정하는 양자컴퓨터의 기본 틀을 갖췄다고 할 수 있다.

 

칩에는 비선형 광자 쌍생성 소스 8개와 광 경로를 조절하는 광스위치가 40여 개 들어 있으며 광스위치 중 20여 개는 양자 게이트 역할을 한다. 

 

연구진은 서로 다른 방향에서 진입한 두 개의 광자가 만나면 서로에게 영향을 주어서 함께 뭉쳐서 진행하는 흥미로운 양자 현상인 홍-오우-만델(Hong–Ou–Mandel) 효과를 칩에서 측정했다.

 

연구진은 5mm×5mm 크기의 4큐비트 집적회로를 만들어 HOM 간섭 실험에 이어서 광자 두 개를 더한 4개의 광자의 경로가 얽히며 일어나는 양자 현상들을 논문에 발표했다. 

 

현재는 10mm×5mm 크기의 8큐비트 집적회로를 만들어 총 8개의 광자에서 발생하는 양자 현상들을 연구 중이다. 

 

연구진은 앞으로 기술 완성도를 높여 올해 중 16큐비트 칩 개발에 도전하고, 이후 32큐비트로 확장 개발해 양자 기계학습(ML)을 포함한 양자컴퓨팅 응용 연구에 이용할 계획이다.

 

특히 광자 기반의 양자컴퓨터는 빠른 속도, 상온 동작, 낮은 오류율, 확장성, 낮은 에너지 소비율 등의 장점이 있다. 

 

지금까지 양자컴퓨터 구동 방식이 초저온 상태에서 가능해 초전도체 개발에 집중되어 왔던 방식과 달리 상온에서 구동이 가능하다는 점이 매우 괄목할만한 성과로 보여진다.

 

ETRI 양자기술연구본부 윤천주 본부장은 “향후 기술적 완성도를 제고해 양자컴퓨터를 통해 외국 사례처럼 5년 내 클라우드 서비스를 계획 중이며 실험실 규모라도 시스템이 돌아가도록 만들어 새로운 영역의 학문개척에 나설 방침이다”라고 전했다.

 

이번 성과를 주도한 ETRI 양자컴퓨팅연구실 이종무 박사는 “양자컴퓨터의 실제적인 구현을 위한 연구가 전 세계적으로 앞다퉈 진행 중”이라고 강조하면서 “큐비트의 노이즈로 인한 연산 오류를 극복하는 양자컴퓨팅 구현과 상용화를 위해서는 아직도 많은 연구가 필요하다”고 밝혔다.

 

ETRI의 실리콘 포토닉스 양자 칩 연구는 ETRI 자체의 신개념연구사업(별칭 묘목사업)인 ‘실리콘 포토닉스 기반 양자컴퓨터 탐색연구’와 한국연구재단의 양자컴퓨팅개발사업의 지원으로 연구개발이 추진됐다.

 

한편, ETRI는 지난 10여 년 동안 ▲무선 양자암호통신 실환경 100m 전송 ▲양자컴퓨팅 컴파일러 요소기술 개발 ▲통신 3사와 양자암호 전송시스템 표준화 ▲상온에서 작동하는 양자 인터넷 핵심기술 개발 ▲세계최초 암호 양자 안전성 검증기술 개발 ▲양자내성암호 공략 양자 알고리즘 개발 및 양자내성 공략 전 과정 증명 ▲동형암호 고속연산 칩기술 확보 등 성과를 양자 기술 분야에서 이뤄냈다. 

 

현재는 세계적인 양자연구그룹으로 거듭나며 양자컴퓨팅, 양자통신, 양자 센서 분야에 집중, 양자 기술 개발과 상용화에 집중하고 있는 모습이다.

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