물로 큐비트 생성 성공…국산 양자컴 실마리될까

고려대 연구팀, MRI 방식 수소 양성자 이용…"연말 거시적 중첩 상태 입증"

국내 연구진이 물로 양자컴퓨터의 큐비트를 생성하고, 이를 제어하는 방법을 찾아냈다.

기존의 양자컴퓨터를 구현하는 초전도, 이온트랙, 포토닉, 다이아몬드, 중성원자 등의 방식 이외에 우리나라가 독자적으로 양자컴퓨터를 제작할 수 있을 것인지에 관심이 쏠린다.

고려대학교 녹색생산기술연구소 양자컴퓨터연구팀(팀장 이상지 박사)은 물분자의 수소 양성자를 이용해 양자컴퓨터 큐비트 생성 장치를 설계, 구현했다고 5일 밝혔다.

물분자의 수소 양성자를 이용해 양자컴퓨터 큐비트 생성 장치를 개발한 이상지 고려대 양자컴퓨터연구팀장.

연구팀은 양자컴퓨터의 각 큐비트를 구성하는 수많은 수소 양성자 스핀들이 거시적 중첩 상태에서 원하는 일정 시간 결맞음 상태를 유지하도록 스핀을 제어하는 회전 연산자 설계에 성공했다.

이상지 팀장은 "올해 연말까지 큐비트 별로 거시적 중첩과 결맞음 시간 확장을 실험적으로 구현할 것"이라며 "큐비트 간의 양자 얽힘 가능성을 이론적으로 규명하는 경우, 3년 이내에 영구자석을 이용한 10큐비트 모듈 방식의 양자컴퓨터 제품 개발이 가능할 것"으로 전망했다.

이 팀장은 나아가 모듈화 제품을 3D 공간의 세 축 방향으로 적층시켜 1만 큐비트 생성도 그다지 어렵지 않을 것으로 예측했다.

이번 성과의 의미에 대해 이 팀장은 "양자컴퓨터 분야의 내로라하는 전문가들이 자기공명영상(MRI) 방식이 스핀 간 상호 작용에 따른 이완현상으로 결맞음 상태를 유지하는 것이 어렵다는 주장을 깨는 결과물"이라고 설명했다.

연구팀은 병원에서 흔히 쓰는 자기공명영상(MRI) 시스템이 인체 내 수소 양성자를 이용해 영상을 생성한다는 원리에 착안했다.

MRI는 자기장속 인체에 라디오파를 발사한다. 수소 양성자 스핀의 상태 변화에 따라 인체에서 반사되는 라디오파를 다시 수신해 이 정보를 바탕으로 컴퓨터가 영상을 만드는 기술이다.

사진 내 솜털같은 덩어리(양자)에서 튀어나온 자화가 0의 상태를 나타내는 큐비트이다. (그래픽=고려대)

연구팀은 순수한 물인 탈이온수(deionized water)를 소형 유리구에 넣어 각각의 큐비트 표본을 제작했다. 또 자석과 경사자기장 코일, 송수신 RF 코일을 결합하는 방법으로 큐비트 생성장치를 구성했다.

연구팀은 "순수한 물인 탈이온수를 직경 2㎜의 소형 유리구에 넣고 밀봉 제작한 다수의 큐비트를 1.0T 영구자석 내부에 설치했다"며 "단일 큐비트의 총 스핀수가 대략 N= 2x10의 21승이기에 단일 원자가 큐비트인 다른 양자컴퓨터에 비해 상대적으로 신호가 매우 큰 것도 장점"이라고 설명했다.

국내외에서 선도적으로 연구 개발 중인 기존의 양자 컴퓨터처럼 극저온 냉동기와 초고진공도 필요없다. 상온과 대기압 환경에서 작동 가능하다.

뿐만 아니라, 영구자석에 의한 자기장이 1.0T인 경우, 물의 수소 양성자 스핀의 세차운동 주파수, 즉 라모 주파수(Larmor frequency)가 42.57㎒의 라디오파(RF) 대역이어서 활용성도 뛰어나다.

이외에 큐비트 송수신에 쓰이는 RF신호 관련 기술도 MRI나 핵자기공명(NMR)에서 널리 활용하는 기술이다. 잘 아는만큼 양자컴퓨터에서 구현하기 쉽다는 설명이다.

이상지 팀장은 "지난 1년차 연구 결과를 바탕으로, 한국정보통신기술협회(TTA)로부터 기술성숙도 5단계(TRL5) 수준의 큐비트 생성 장치에 대한 시험 성적서를 받았다"며 "5개 항목 전부에서 '확인' 받았다"고 말했다.

TTA 시험성적서.

시험 항목은 ▲큐비트 표본 ▲자석 ▲경사자기장 공급장치 ▲큐비트 스핀 상태 제어용 RF 신호 발생 장치 ▲큐비트 상태 측정 장치 등이다.

큐비트 덩어리 자화 중첩상태에서 결맞음 유지 관건

연구팀은 해결해야 할 숙제로 외부 자석에 의한 자기장이 인가된 초기 상태에서 제이만 효과(Zeeman effect)에 따라 ¦0>의 상태로 유지되는 덩어리 자화(큐비트)에 다시 RF펄스를 인가할 때 큐비트 상태가 ¦0> 에서 ¦1> 또는 중첩 상태 등으로 바뀌게 되는데, 이때 덩어리 자화를 구성하는 스핀들을 일정시간 흐트러지지 않는 결맞음 상태로 유지해야 한다.

또 특정 큐비트의 중첩 상태를 이루는 덩어리 자화가 이완되지 않고 원하는 일정 시간 동안 결맞음 상태가 유지되는 RF 펄스 순서를 찾아 적용하고 실험적으로 검증하는 것도 관건이다.

이외에 서로 다른 큐비트 간에 상호 작용하는 조정 양자 게이트를 구현하는 펄스 순서도 찾아 실험적으로 검증해야 한다.

이같은 숙제를 해결한 이후에 양자 얽힘도 구현할 수 있을 것이라고 이 박사는 전망했다.

5년 내 10큐비트 모듈형 양자컴 상용화 전망

이상지 팀장은 "물을 이용한 큐비트 기반의 양자컴퓨터 상용화 개발이 기존의 다양한 양자컴퓨터에 비해 더 신속하게 이루어질 수 있을 것"이라며 "빠른 경우, 5년 이내에 10큐비트 이하의 모듈형 양자컴퓨터의 상용화 수준에 이를 것"으로 전망했다.

이상지 팀장은 "올해 단일 큐비트를 기반으로 파울리 X/Y/Z 행렬 구현, 위상이동 게이트 구현, 하다마드 게이트 구현, 양자 중첩 구현 및 결맞음 시간 확장 기술 구현 등이 순조롭게 이루어질 것"으로 전망했다.

이 연구는 한국지능정보사회진흥원(NIA)의 ‘자기공명 영상 기술 기반의 양자 컴퓨팅 및 이를 활용한 양자 알고리즘 연구 개발’ 과제(총괄책임자 고려대 산학협력단 조장희 석좌교수) 지원을 받아 진행했다.

AI 분야 전문 기업 ㈜비브스튜디오스(분할과제 책임자: 이광희 연구소장)와 반도체 웨이퍼 테스트 후공정 전문 기업인 ㈜에이엘티(분할과제 책임자: 양은택 연구소장)가 각각 양자 컴퓨터 기반의 AI 알고리즘 개발과 AI 학습을 위한 CMOS 영상 센서(CIS) 반도체 웨이퍼 테스트 데이터 개발 등을 맡아 참여 중이다.

KRISS가 개발 중인 50큐비트 초전도 양자컴퓨터 모형 (사진=표준연)