"양자컴퓨팅 연구에 날개"...표준연-KAIST,단일 전자원 개발

연구비용‧시간 줄이고 성능 획기적 개선 가능, 국내 양자연구 날개 달아

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)은 KAIST와 공동으로 양자 컴퓨팅 연구에 활용할 수 있는 새로운 방식의 단일 전자원을 개발했다고 22일 밝혔다. 

단일 전자원은 반도체 소자를 이용해 전자 입자를 하나씩 내보내는 장치를 말한다. 양자정보 기술이나 양자컴퓨팅에 필요한 양자 상태를 구현하려면 이처럼 독립적인 입자를 제어할 수 있어야 한다.

KRISS 배명호(왼쪽)과 김범규 책임연구원이 단일 전자원 소자를 극저온 냉동기에 설치하고 있다. (사진=표준연)

그간 움직이는 입자를 기반으로 하는 양자기술 연구는 단일 전자가 아닌 단일 광자를 활용한 방식이 주를 이뤘다. 기존 단일 전자원은 사용되는 에너지가 너무 높거나 낮아 양자 현상을 관측하거나 전자와 정공을 분리하기 어렵기 때문이다.

이번에 개발한 단일 전자원은 이차원 화합물반도체에 전기장을 가해 양자우물을 만든 뒤, 양자우물에 흡수된 전자를 에너지 필터를 거쳐 일정한 시간 간격으로 원하는 채널에 내보내는 원리다. 복잡한 테크닉이나 고가의 장비 없이 양자컴퓨팅이나 양자정보 기술에 활용할 수 있다.

이차원 반도체 기반의 단일 전자원을 양자기술에 접목하면 단일 광자원을 활용하는 양자 광학에 비해 양자 상태를 제어하기 쉽다. 또 확장성과 집적성이 우수해 하나의 웨이퍼 위에 여러 개의 전자원을 붙이거나 작은 면적의 소자에 수십 개의 큐비트를 구현할 수 있다. 양산을 위한 산업 인프라가 이미 갖춰져 있다는 것도 장점이다.

공동연구팀이 개발한 단일 전자원의 구동 원리 (자료=표준연)

KRISS 단일전자양자소자팀 배명호 책임연구원은 "이번 연구결과는 국내 양자컴퓨팅‧양자정보기술 연구의 시간과 비용을 대폭 단축할 성과"라며 "단일 전자원을 양자컴퓨팅에 적용하면 초전도나 스핀을 이용한 양자컴퓨팅에 비해 연산속도가 월등히 빨라질 것"이라고 밝혔다. 

연구진은 이번에 개발한 단일 전자원을 활용해 양자정보 기술의 핵심이 되는 큐비트 시스템을 구축할 계획이다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 선도연구센터사업과 KRISS 기본사업 등으로 수행됐으며, 학술지 '나노 레터스(Nano Letters)'에 최근 게재됐다.