​KAIST, 안정적인 양자정보 재배치 기술 개발... 고성능 양자컴퓨터 개발 기대

레이저 빔으로 양자 정보 담긴 원자 던져

배열 시 발생하는 결함 쉽게 해소 가능

재배치 전제로 강력한 컴퓨팅 기술 가능성

광 집게를 이용해 원자를 던지고 받는 기술의 모식도 [사진=KAIST]

양자컴퓨터의 기본 구성요소인 원자를 안정적으로 배치할 수 있는 기술이 국내에서 개발됐다. 향후 강력한 성능을 갖춘 리드버그 양자컴퓨터 개발을 위한 초석이 마련된 셈이다.

한국과학기술원(KAIST)은 안재욱 물리학과 교수 연구팀이 레이저 빔을 이용해 루비듐 원자를 하나씩 던지고 받아 배치하는 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

리드버그 양자컴퓨터는 연산을 위한 소자인 '큐비트'를 자유롭게 배치할 수 있는 것이 특징이다. 이를 위해 원자를 이동·배치하는 기술이 매우 중요하다. 원자를 원하는 위치에 배치하기 위해선 '광 집게'라고 불리는 집속 레이저 빔이 필요한데, 이 과정에서 큐비트에 담긴 양자 정보가 변화할 가능성이 크다.

안 교수 연구팀은 광 집게가 원자와 접촉하는 시간을 최소화해, 양자 정보가 변하지 않도록 원자를 던지고 받는 방법을 개발했다. 연구팀은 절대 영도 이하로 냉각된 루비듐 원자가 광 집게의 초점을 따라서 빛이 가하는 전자기력에 매우 민감하게 움직인다는 특성을 이용했다.

연구팀은 광 집게 레이저를 가속해서 원자에 킥을 줘서 원자를 목표지점으로 보내고, 다른 광 집게로 원자를 잡아서 멈추게 했다. 비행 속도는 초속 65㎝고, 이동 거리는 최대 4.2μm(마이크로미터)다.

원자를 직접 잡아서 이동하는 기존 방식과 비교해 광 집게 이동 경로 계산이 필요 없고, 원자 배열에 생기는 결함도 쉽게 고칠 수 있는 것이 특징이다. 결과적으로 많은 개수의 원자 배열을 생성하고 유지하는 데 효과적이다. 양자 정보를 지닌 원자를 추가로 던지고 받는 때에 양자 배열 구조변화를 전제하는 강력한 양자컴퓨팅 기술도 연구할 수 있다.

안 교수는 "이 기술은 더 크고 강력한 리드버그 양자 컴퓨터를 개발하는 데 사용될 것"이라며 "오류가 발생해 원자를 교체하거나 이동해야 할 경우, 원자를 던져서 빠르게 재구성하는 방법이 효과적일 수 있다"고 밝혔다.

황한섭, 변우정 KAIST 물리학과 박사과정 연구원, 실바앙 드 레젤러크(Sylvain de Léséleuc) 일본 국가자연과학연구소 연구원이 참여한 이번 연구는 국제 학술지 '옵티카(Optica)' 3월 10권 3호에 출판됐다. 이번 연구는 삼성미래기술재단의 지원으로 수행됐다.