ETRI, 양자컴퓨팅 위한 '8광자 큐비트 칩' 최초 개발

국내 연구진이 세계 최초로 빛 알갱이인 광자 방식의 8광자 큐비트 집적회로 칩 개발에 성공했다. 양자컴퓨터를 구현할 가능성이 높은 기술 중 하나를 활용한 성과로 향후 양자컴퓨터 개발에 핵심 기술로 작용할지 관심이 모인다. 

한국전자통신연구원(ETRI)은 실리콘포토닉스 양자칩을 확장해 광자 8개를 제어할 수 있는 시스템을 완성하고 8개의 광자에 의해 발생하는 양자 현상들을 실험 중이라고 4일 밝혔다. 광자기술을 적용해 시‧공간 상에서 양자의 얽힘 구현을 가능케 만든 것이다.

연구진은 실리콘포토닉스 양자칩 연구를 꾸준히 이어왔다. 지난해 KAIST 및 이탈리아 트렌토대와 협력해 광자 4개를 제어할 수 있는 4큐비트 실리콘 포토닉스 칩에서 2큐비트와 4큐비트 양자 얽힘을 구현해 세계 최고의 성능을 보여줬다.

이번에는 8큐비트로 확장된 칩을 제작해 6큐비트 양자얽힘 현상을 확인하는 데 성공했다. 연구진은 “8큐비트 생성 및 제어 양자칩을 개발해 6큐비트 양자얽힘 현상을 확인한 결과는 실리콘 기반 광기술 집적회로 기준으론 세계 최초의 성과라는데 큰 의미가 있다”고 설명했다.

연구진이 성과를 낸 광자기반 기술은 양자컴퓨터를 만드는 데 유력한 기술 중 하나다. 손톱만 한 크기의 실리콘 칩에 광자기반 양자 회로를 포함한 실리콘 포토닉스 양자 칩을 만들고 여러 개의 양자 칩들을 네트워크로 연결해 범용 양자컴퓨팅을 구현하는 기술이다. 

광자 기반 양자컴퓨터는 빠른 속도, 상온 동작, 낮은 오류율, 확장성, 낮은 에너지 소비율 등의 장점이 있는 것으로 여겨진다. 양자 광원, 선형 광소자 및 단일광자 측정기 등을 활용해 광학 시스템에 인코딩된 양자정보를 조작 및 측정할 수 있다.

ETRI는 나아가 새로 만든 칩에 광자생성기, 위상변조기, 스위치 등 다양한 광학소자를 만들어 넣어 빛의 경로를 조절했다. 이를 통해 양자 간섭을 하도록 했다. 컴퓨터의 기본적 역할인 정보 전달 및 변환 수행이 가능케 한 것이다. 

칩 내에는 비선형 광자 쌍생성 소스 8개와 광 경로를 조절하는 광스위치가 40여 개 들어 있으며 광스위치 중 20여 개는 양자 게이트 역할을 한다. 연구진은 “단일광자 검출기를 통해 양자 상태를 측정하는 양자컴퓨터의 기본 틀을 갖췄다”고 설명했다. 

이 과정에서 흥미로운 양자 현상도 관측됐다. 서로 다른 방향에서 진입한 두 개의 광자가 만나면 서로에게 영향을 미쳐 함께 뭉쳐서 진행하는 홍-오우-만델(Hong–Ou–Mandel‧HOM) 효과를 칩 내에서 측정했다.

연구진은 후속 연구를 통해 이번 논문에서 발견된 것보다 큰 크기의 8큐비트 집적회로를 만들어 총 8개의 광자에서 발생하는 양자 현상들을 연구 중이다. 

연구진은 향후 기술의 완성도를 높여 올해 중 16큐비트 칩 개발에 도전할 계획이다. 이후 32큐비트로 확장 개발해 양자 기계학습(ML)을 포함한 양자컴퓨팅 응용 연구에 이용할 예정이다.

윤천주 ETRI 양자기술연구본부장은 “향후 기술적 완성도를 제고해 양자컴퓨터를 통해 외국의 사례처럼 5년 내 클라우드 서비스를 계획 중"이라며 "실험실 규모라도 시스템이 돌아가도록 만들어 새로운 영역의 학문개척에 나설 방침”이라고 말했다.

이번 연구를 주도한 이종무 ETRI 양자컴퓨팅연구실 책임연구원은 “양자컴퓨터의 실제적인 구현을 위한 연구가 전 세계적으로 앞다퉈 진행 중"이라며 "큐비트의 노이즈로 인한 연산 오류를 극복하는 양자컴퓨팅 구현과 상용화를 위해서는 아직도 많은 연구가 필요하다”고 강조했다. 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘포토닉스 리서치’와 ‘APL 포토닉스’에 각각 최근 게재됐다.

동아사이언스 박정연 기자 hesse@donga.com

출처 : ETRI, 양자컴퓨팅 위한 '8광자 큐비트 칩' 최초 개발 - 동아사이언스