광자(빛 알갱이)방식 8광자 큐비트 집적회로 칩을 우리 연구진이 세계 최초로 개발했다. 양자컴퓨터 글로벌 경쟁력을 한층 끌어올렸다.
한국전자통신연구원(ETRI)은 실리콘포토닉스 양자칩을 확장, 광자 8개를 제어하는 시스템을 완성했다고 4일 밝혔다.
광자기반 기술은 양자컴퓨터를 만드는 방법 중 가장 유력하다. 손톱 크기 실리콘 포토닉스 양자 칩들을 연결해 범용 양자컴퓨팅을 구현한다.
빠른 속도, 상온 동작, 확장성 낮은 오류율과 에너지 소비율 등이 장점이다. 광학 시스템에 인코딩된 양자정보를 조작·측정한다.
연구진은 한국과학기술원(KAIST), 이탈리아 트렌토대와 협력해 4큐비트 실리콘 포토닉스 칩에서 2·4큐비트 양자 얽힘을 구현한 바 있다.
이번에 8큐비트 칩을 제작해 6큐비트 양자얽힘 현상을 확인했다. 연구진은 큐비트 간 양자적으로 강하게 얽힌 상태를 칩 내에서 구현했다.
ETRI는 광자생성기, 위상변조기, 스위치 등 다양한 광학소자를 이번 칩에 넣어 빛 경로를 조절, 양자 간섭을 하도록 했다. 컴퓨터 기본 역할인 정보전달·변환이 가능해졌다.
칩에는 비선형 광자 쌍생성 소스 8개, 광스위치가 40여 개가 들어 있으며 광스위치 중 20여 개는 양자 게이트 역할을 한다. 단일광자 검출기로 양자 상태를 측정하는 양자컴퓨터 기본 틀을 갖췄다.
또 서로 다른 방향에서 진입한 광자 2개가 만나면 서로 영향을 줘 함께 뭉쳐서 진행하는 양자 현상인 '홍-오우-만델(HOM)' 효과를 칩 내에서 측정했다.
연구진은 가로·세로 5㎜ 크기 4큐비트 집적회로를 만들어 HOM 간섭 실험에 이어 광자 2개를 더한 4개 광자 경로가 얽히며 일어나는 양자 현상들을 발표했다. 현재 10㎜×5㎜ 크기 8큐비트 집적회로를 만들어 양자 현상들을 연구 중이다.
올해 중 16큐비트 칩 개발에 도전하고, 이후 32큐비트로 확장 개발, 양자 기계학습을 포함한 양자컴퓨팅 응용 연구에 이용할 계획이다.
윤천주 ETRI 양자기술연구본부장은 “외국 사례처럼 5년 내 양자컴퓨터로 클라우드 서비스를 계획 중”이라며 “실험실 규모라도 시스템이 돌아가도록 만들어 새로운 학문개척에 나설 방침”이라고 말했다.
이종무 ETRI 양자컴퓨팅연구실 박사는 “양자컴퓨터 구현 연구가 세계적으로 앞다퉈 진행 중”이라며 “큐비트 노이즈로 인한 연산 오류를 극복하는 양자컴퓨팅 구현·상용화를 위해 아직 많은 연구가 필요하다”고 밝혔다.
한편 ETRI 실리콘 포토닉스 양자 칩 연구는 ETRI 신개념연구사업(묘목사업)인 '실리콘 포토닉스 기반 양자컴퓨터 탐색연구'및 한국연구재단 양자컴퓨팅개발사업 지원으로 수행됐다.
ETRI는 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.
