■ ETRI, 상온 작동 양자 컴퓨터 핵심 기술 개발

■ ETRI, 상온 작동 양자 컴퓨터 핵심 기술 개발

 

● 구글. IBM 양자 컴퓨터는 -273도 극저온에서만 작동

 

★ 세계 최강 슈퍼컴퓨터를 사용해도 1만년이 걸리는 계산을 단 4분 이내에 해낼 수 있어 '꿈의 컴퓨터'로 불리는 양자 컴퓨터를 현실로 만드는 데 가장 큰 걸림돌이 하나 있다. 현재 개발 중인 기술로는 '절대 온도(영하 273도)'에 가까운 극저온 상태에서만 작동할 수 있다는 점이다. 기존 컴퓨터는 가장 작은 연산 단위로 '비트(bit)'를 사용한다. 비트는 '0' 아니면 '1'이기 때문에 비트 하나당 정보 하나만 처리할 수 있다. 하지만, 양자 컴퓨터는 다르다. 기본 정보 단위인 큐비트(qubits)가 0과 1 상태를 동시에 가질 수 있기 때문에 n개 큐비트가 나타낼 수 있는 상태의 수는 2의 n제곱 만큼 커진다. 이를 양자 컴퓨터의 '병렬성'이라고 한다. 이에 따라 큐비트 2개는 '00, 01, 10, 11'이라는 4개 상태를, 큐비트 4개는 2의 4제곱, 즉 16개 상태를 나타낼 수 있다. 큐비트로 가장 많이 사용되는 매체는 전자, 광자, 원자핵이다. 현재 양자 컴퓨터 계통 최강자로 평가받는 IBM. 구글은 전자를 활용하는 초전도체 기반 양자 컴퓨터를 개발하고 있다. 구글에서 만든 53개 큐비트로 구성된 '시커모어'라는 양자 컴퓨터 칩은 엄청난 연산 속도를 자랑하지만, 섭씨 영하 273도까지 냉각해야만 작동한다. 전자를 활용하는 초전도체를 기반으로 한 기존 양자 컴퓨터는 절대온도 0도까지 냉각하면, 전기 저항이 사라지는 원리를 이용하기 때문에 상온에서 작동하기 어려워서 항상 극저온 환경을 유지해줘야 한다. 원자핵을 큐비트로 사용하는 '이온 트랩(이온 덫)' 방식 역시 극저온에서만 작동한다.

 

● ETRI, 광자 기반 양자 컴퓨터 핵심 기술 단일 광자 생성 성공

 

★ 한국전자통신연구원(ETRI) 양자광학연구실 주정진 책임연구원은 빛의 최소 단위인 광자를 이용해서 양자 컴퓨터를 구현하는 연구를 하고 있다. 광자는 상온에서도 양자가 0이기도 하고 1이기도 할 수 있는 '양자 중첩' 상태를 매우 잘 유지하는 특성이 있어서 상온에서도 양자컴퓨터를 작동할 수 있기 때문이다.

 

주정진 박사는 "광자는 자연의 기본 에너지 단위로 다루기가 매우 어렵지만, 주변 환경과 상호 작용이 적어서 상온에서 광자의 결맞음 동안 양자 중첩 상태를 매우 잘 유지한다는 특성이 있다"고 설명했다. 결맞음은 양자 정보가 유지될 수 있는 시간이다. 이와 관련해서 한국전자통신연구원(ETRI)은 광자 기반 양자 컴퓨터를 구현하기 위한 핵심 기술인 '단일 광자'를 생성하고, 양자 게이트를 동작하는 데 성공했다. 단일 광자를 개발하기 위해 세계 여러 연구소가 연구하고 있지만, 실제 통신에서 많이 활용되는 1550㎚ 파장 대역에서 단일 광자 광원을 얽힘 상태로 생성하는 기술은 ETRI가 가장 뛰어나다고 평가받는다. 주정진 박사는 "굉장히 강한 레이저 빛을 실리콘 광 집적 회로에 입력하면, 광 집적 회로 내에서 비선형 상호 작용에 의해 새로운 단일 광자가 두 개 만들어진다. 이렇게 만들어진 광자는 양자 얽힘 상태로 존재한다"고 설명했다.

 

양자 얽힘은 양자 중첩과 함께 양자 컴퓨터 작동에 꼭 필요한 핵심 현상이다. 양자 얽힘이란 두 개 입자가 강한 상관성을 가지면, 아무리 멀리 떨어뜨려 놔도 한쪽이 반응할 때, 다른 한쪽도 즉각 반응하는 현상을 말한다.

 

양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터와 달리 마치 '블랙 박스' 같은 형태로 작동한다. 주정진 박사는 "양자 컴퓨터는 블랙 박스처럼 열어볼 수가 없다. 이 때문에 양자 컴퓨터 계산에서 오류가 발생해도 열어서 보정할 수 없어 오류 측정을 알아내거나 오류 보정을 하기 위해서는 얽힘 상태를 활용해야 한다"고 설명했다. 즉 양자 컴퓨터 안에 있는 양자와 밖에 있는 양자를 얽힘 상태로 만들어놓으면, 밖에서도 오류를 확인할 수 있게 된다. ETRI는 얽힘 상태 양자 광원을 이용해서 양자 정보를 조작하는 광 집적 회로 소자도 개발했다. 관련 내용은 오는 2020년 12월 우수 국제학술대회인 ECOC에서 발표할 예정이다. 주정진 박사는 "향후 국내 반도체 기업, 양자 관련 소재. 부품. 시스템 기업과 협력해서 상온 동작 양자 컴퓨터 구현에 한발 더 다가갈 수 있을 것"으로 기대했다.

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