"자석이 큐비트를 움직인다"…KAIST '마그논 양자칩' 세계 최초 실증

▲한국과학기술원(KAIST)이 자기 성질을 가진 물질(자성체)로 양자컴퓨팅 기술을 세계 최초로 구현하는 데 성공했다고 6일 밝혔다. 사진은 물리학과 송무준 박사(왼쪽), 물리학과 김갑진 교수(오른쪽) (사진제공=KAIST)

한국과학기술원(KAIST)이 자기 성질을 가진 물질(자성체)로 양자컴퓨팅 기술을 세계 최초로 구현하는 데 성공했다.

6일 김갑진 KAIST 물리학과 교수 연구팀은 미국 아르곤 국립 연구소(Argonne National Lab.), 일리노이대 어바나-샴페인(UIUC)와 '광자-마그논 하이브리드 칩'을 개발했다고 밝혔다. 빛(광자)과 자석 내부의 진동(마그논)이 결합된 특수 칩이다.

이를 통해 연구팀은 멀리 떨어진 자석 사이에서 신호를 주고받고, 이 신호들이 서로 간섭하는 현상을 제어했다.

'마그논'은 자석 내부에서 발생하는 전자스핀들의 집단적 진동 현상을 의미한다. 정보를 한 방향으로 전달하는 '비상호성'을 가지고 있어, 외부 잡음을 억제하면서도 빛이나 마이크로파와 결합할 수 있다. 이에 복잡한 냉각 장비 없이도 상온에서 작동하는 양자컴퓨터를 개발하는 데 유망한 소재로 주목 받고 있다.

▲한국과학기술원(KAIST)이 자기 성질을 가진 물질(자성체)로 양자컴퓨팅 기술을 세계 최초로 구현하는 데 성공했다고 6일 밝혔다. (사진제공=KAIST)

연구팀은 '이트륨 철 가넷(YIG)' 소재의 자석 구슬 2개를 12mm 간격으로 배치하고, 그 사이에 구글이나 IBM의 양자컴퓨터에서 사용하는 초전도 공진기를 설치했다. 이후 한쪽 자석에 신호를 입력하자, 마그논 형태의 신호가 반대편 자석까지 손실 없이 도달하는 것을 확인했다. 또한, 여러 개의 펄스를 동시에 입력했을 때 각각의 위상 정보가 손상되지 않고 간섭 현상이 예측대로 나타나는 것도 관측했다.

특히 연구팀은 이 마그논 신호 간의 간섭 패턴을 주파수와 시간 간격 조절만으로 자유롭게 제어할 수 있다는 점도 입증했다. 이는 기존 양자컴퓨터가 큐비트를 하나씩 제어하던 방식에서 벗어나, 복수의 신호를 동시에 정밀하게 다루는 ‘다층 양자 연산’이 자석 기반 시스템에서도 가능하다는 의미다.

김 교수는 "이번 연구는 ‘세상에 없는 기술을 제안하라’는 KAIST 글로벌 특이점 연구사업에서 ‘자석으로 양자컴퓨터를 개발할 수 있을까?’라는 다소 엉뚱하지만, 모험적 아이디어를 제안하며 시작되었다”며 “이번 연구 결과는 양자 스핀트로닉스(quantum spintronics)라는 새로운 연구 분야의 가능성을 열었을 뿐만 아니라, 고효율 양자정보 처리 장치 개발을 위한 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다”고 설명했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’와 ‘엔피제이 스핀트로닉스’에 각각 지난달 1일, 17일 자 논문으로 게재됐다.