KAIST, 자석으로 양자컴퓨터 제작···세상에 없던 아이디어 첫 실증

김갑진 KAIST 물리학과 교수(왼쪽)와 송무준 물리학과 박사(오른쪽). [사진=KAIST]

[이뉴스투데이 김진영 기자] KAIST 글로벌 특이점 연구 사업에서 출발한 아이디어가 현실이 됐다. 김갑진 KAIST 물리학과 교수팀은 미국 아르곤국립연구소, 일리노이대(UIUC)와 공동으로 ‘광자-마그논 하이브리드 칩’을 개발, 자성체에서 다중 펄스 간섭 현상을 실시간으로 구현하는 데 세계 최초 성공했다고 8일 밝혔다.

연구팀은 빛(광자)과 자석 내부의 집단적 스핀 진동(마그논)이 함께 작동하는 특수 칩을 통해 떨어진 자석 사이의 위상 정보를 실시간으로 전송하고, 다중 신호 간섭을 제어하는 데 성공했다. 자석이 양자 연산의 핵심 부품으로 활용될 수 있음을 보여준 첫 실험이다.

마그논은 비상호성 특성으로 양자 노이즈를 차단하거나, 광·마이크로파와 결합해 수십 km 거리의 양자 통신에도 활용 가능성이 있다. 특히 반강자성체를 이용하면 THz 대역에서 작동 가능한 상온 양자컴퓨터 개발로도 이어질 수 있다.

실험은 이트륨 철 가넷(YIG) 자석 두 개를 12mm 간격으로 배치, 그 사이에 초전도 공진기를 연결한 구조에서 진행됐다. 펄스를 입력하자 마그논이 손실 없이 다른 자석까지 전달됐고, 다중 펄스 간섭을 통해 위상 정보가 보강·상쇄되는 결맞음 현상이 관측됐다.

마그논 간섭 패턴을 임의 제어함으로써 전기신호를 통해 양자 상태를 조절할 수 있는 가능성도 처음 입증됐다. 자성체-초전도 회로 기반에서도 다중 펄스 양자 게이트 연산이 구현 가능함을 보여준 것이다.

김갑진 KAIST 물리학과 교수는 “엉뚱한 질문에서 시작된 연구가 고효율 양자정보처리 기술의 전환점을 마련했다”며 “양자 스핀트로닉스라는 새로운 연구 분야의 문을 열었다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 KAIST 글로벌특이점연구사업, 과기정통부·연구재단, 미국 에너지부의 지원을 받아 진행됐다. 연구 결과는 ‘엔피제이스핀트로닉스(npj Spintronics)’와 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 각각 게재됐다.