전자통신연구원, ‘8개 광자’ 간섭하며 얽히는 집적회로 제작
프로그래머블 실리콘 포토닉스 양자 얽힘 IC 칩 개발
“여러 개 양자 칩, 네트워크로 연결, 범용 양자컴퓨팅 구현”
[애플경제 이보영 기자] 세계에서 처음으로 빛 알갱이 즉, 광자(光子)방식의 8광자 큐비트(Qubit) 집적회로 칩이 개발되었다. 한국전자통신연구원(ETRI)은 4일 “실리콘포토닉스 양자칩을 확장해 광자 8개를 제어할 수 있는 시스템을 완성하고, 8개의 광자에 의해 발생하는 양자 현상들을 실험 중”이라며 이같이 밝혔다.
광자기술을 적용해 시·공간 상에서 양자의 얽힘을 구현할 수 있게 된 것이다. 연구진이 성과를 낸 광자기반 기술은 양자컴퓨터를 만드는 방법 중 가장 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.
특히, 광자가 가는 길을 두 개로 나누어 위로 가면 0, 아래로 가면 1로 표현하는데, 4큐비트는 빛이 가는 길이 위와 아래를 합쳐 총 8개, 8큐비트는 16개인 셈이다.
연구진은 큐비트 간 양자적으로 서로 강하게 얽힌 상태를 칩 내에서 구현했다. 특히 광자기반 양자컴퓨터는 빠른 속도, 상온 동작, 낮은 오류율, 확장성, 낮은 에너지 소비율 등의 장점이 있다. 양자 광원, 선형 광소자 및 단일광자 측정기 등을 활용, 광학 시스템에 인코딩된 양자정보를 조작, 측정한다.
이에 광자생성기, 위상변조기, 스위치 등 다양한 광학소자를 이번 새로 만든 칩에 만들어 넣어 빛의 경로를 조절하여 양자 간섭을 하도록 했다. 이로써 컴퓨터의 기본적 역할인 정보전달 및 변환 수행이 가능하게 된 것이다. 칩에는 비선형 광자 쌍생성 소스 8개와 광 경로를 조절하는 광스위치가 40여 개 들어 있다. 광스위치 중 20여 개는 양자 게이트 역할을 한다. 이로써 단일광자 검출기를 통해 양자 상태를 측정하는 양자컴퓨터의 기본 틀을 갖췄다.
연구진은 특히 서로 다른 방향에서 진입한 두 개의 광자가 만나면 서로에게 영향을 주어서 함께 뭉쳐서 진행하는 흥미로운 양자 현상인 홍-오우-만델(Hong–Ou–Mandel) 효과를 칩 내에서 측정했다. 5mm×5mm 크기의 4큐비트 집적회로를 만들어 HOM 간섭 실험에 이어서 광자 두 개를 더한 4개의 광자의 경로가 얽히며 일어나는 양자 현상들을 논문에 발표했다.
이전부터 연구진은 실리콘포토닉스 양자칩 연구를 꾸준히 진행했다. 지난해, 연구진은 KAIST 및 이탈리아 트렌토(Trento) 대학과 협력해 광자 4개를 제어할 수 있는 4큐비트 실리콘 포토닉스 칩에서 2큐비트와 4큐비트 양자 얽힘을 구현해 세계 최고의 성능을 보여줬다.
이번 성과는 세계적인 학술지 『포토닉스 리서치(Photonics Research)』와 『에이피엘 포토닉스(APL Photonics)』에 각각 게재되었다. 연구진은 또 2큐비트 및 4큐비트 양자얽힘 논문 발표 이후 8큐비트로 확장된 칩을 제작해 6큐비트 양자얽힘 현상도 이번에 확인했다.
연구진은 “이번 8큐비트 생성 및 제어 양자칩을 개발해, 6큐비트 양자얽힘 현상 확인 결과가 실리콘 기반 광기술(Si Photonics) 집적회로 기준으론 세계최초의 성과라는데 큰 의미가 있다”고 말했다.
현재는 10mm×5mm 크기의 8큐비트 집적회로를 만들어 총 8개의 광자에서 발생하는 양자 현상들을 연구 중이다. 향후 기술의 완성도를 높여 올해 중 16큐비트 칩 개발에 도전하고, 이후 32큐비트로 확장 개발, 양자 기계학습(ML)을 포함한 양자컴퓨팅 응용 연구에 이용할 계획이다.
ETRI 윤천주 양자기술연구본부장은 “향후 기술적 완성도를 제고해 양자컴퓨터를 통해 외국의 사례처럼 5년 내 클라우드 서비스를 계획 중이다. 실험실 규모라도 시스템이 돌아가도록 만들어 새로운 영역의 학문개척에 나설 방침이다”고 말했다.
이번 성과를 주도한 ETRI 양자컴퓨팅연구실 이종무 박사는 “양자컴퓨터의 실제적인 구현을 위한 연구가 전 세계적으로 앞다퉈 진행 중이다. 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(별칭묘목사업)인 “실리콘 포토닉스 기반 양자컴퓨터 탐색연구”및 한국연구재단의 양자컴퓨팅개발사업의 지원으로 연구개발 되었다.
연구원은 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.