 양자 광원 제어로‘ 양자 정보 시대’ 앞당긴다 디지털 컴퓨터 한계 뛰어넘는 양자 컴퓨팅
최근 삼성전자가 양자 컴퓨팅 관련 스타트업 ‘알리로’(Aliro)에 270만 달러(약 32억5천만 원)의 자금을 투자한 것으로 밝혀 졌다. ‘알리로’는 양자 컴퓨팅을 일반인도 쉽게 사용할 수 있도록 관련 소프트웨어를 개발하는 곳이다. ‘양자 컴퓨팅’은 반 도체가 들어간 전통적인 컴퓨터의 성능 한계를 극복할 수 있는 대안으로 새롭게 떠오르고 있는 미래 기술이다. UNIST 연구팀이 이러한 양자 정보기술의 핵심인 고효율 ‘양자 광원’을 손쉽게 만들고 제어할 수 있는 새로운 기술을 개발 하는 데 성공했다. (메인 사진: (좌측부터) 문종성 연구원, 김효주 연구원, 김제형 교수)
정리 김향인 기자 | 자료 제공 울산과학기술원(UNIST)
반도체 집적회로 기술이 발전함에 따라 컴퓨터의 크기 는 작아지면서 성능은 더 좋아지고 있다. 그러나 아무 리 반도체 집적기술이 고도로 향상된다고 해도 논리 소자를 원자 하나 이하로 구현하기는 불가능하며, 원 자 단위의 미시세계에서는 예기치 못한 문제들이 발생 하기 때문에 기존의 방식으로는 컴퓨터의 성능을 지속 적으로 개선시키는 데는 한계가 있다.
이러한 문제를 극복하기 위해 기존 방식과는 전혀 새로 운 개념의 컴퓨터를 생각해낸 것이 바로 ‘양자 컴퓨팅’ 이다. ‘양자 컴퓨팅’(Quantum Computing)은 양자의 고 유한 물리학적 특성을 이용해 여러 정보를 동시에 처리 할 수 있는 새로운 개념의 컴퓨터를 말한다.
새로운 큐비트(Qbit) 방식
지금까지의 컴퓨터는 0과 1로 표시되는 2진법 논리 회 로인데, 스위치를 켜거나 끄는, 즉 1과 0 상태로 전기가 흐르거나 흐르지 않는 형태로 2진법의 1 비트(Bit)를 구 현한다. 이와는 달리 양자 정보 기술은 1과 0의 상태가 중첩되어 정보를 표현하는 양자 비트(Qubit)를 기반으 로 한다. 이른바 ‘큐비트(Qbit)’라 불리는 양자 비트 하 나로 0과 1이 중첩된 상태를 동시에 표시할 수 있다.
따라서 큐비트는 데이터를 병렬적으로 동시에 처리할 수도 있고, 큐비트의 수가 늘어날수록 처리 가능한 정 보량도 기하급수적으로 늘어나게 되고, 연산 속도도 기존의 디지털 컴퓨터와는 비교할 수 없을 만큼 빨라 질 수 있다. 예를 들어 2개의 큐비트라면 모두 4가지 상 태 00, 01, 10, 11을 중첩시키는 것이 가능하게 된다. 특 히, 양자 역학의 특징인 양자 중첩, 양자 얽힘, 복사 불 가능의 특징 등을 활용하게 되면 보안성이 뛰어난 양 자 통신 기술, 고전 컴퓨터 방식에서는 비효율적으로 수행했던 연산을 빠른 시간 내에 해결할 수 있는 양자 연산 기술, 기존 회절 한계, 신호 대 잡음비 한계를 뛰어 넘는 양자 계측 기술 등을 구현할 수 있는 것이다.
이러한 빠른 연산 속도와 높은 보안성을 갖는 차세대 정보통신 기술로 새롭게 부상하고 있는 ‘양자 컴퓨팅’ 을 비롯한 양자 정보기술의 핵심은 바로 ‘양자 광원’ (quantum light source)을 생성하고 제어하는 기술로 알려져 있다. 이번에 울산과학기술원(UNIST) 김제형 교수 연구팀이 개발에 성공한 기술이 양자 광원을 손 쉽게 만들고, 광원의 물리적 성질을 동시에 제어할 수 있는 기술이다.
‘양자 광원’의 위치와 파장 동시 제어
UNIST 자연과학부의 김제형 교수 연구팀은 기존 고체 양자 광원이 갖는 문제를 해결하기 위해 원자층두께 의 이차원 반도체 물질(WSe2)과 실리콘 멤스(MEMS, Microelectromechanica systems) 소자를 활용하였다. 원자층 두께로 매우 유연한 성질을 갖는 이차원 물질 과 국소 응력 제어가 가능한 MEMS 소자 기술을 결합 하면, 반도체 물질의 광학 특성을 국소적으로 제어하 는 것이 가능하다. 이를 통해 양자 광원을 실리콘 집적 소자 내에 생성하고, 특성 제어를 동시에 할 수 있는 차 세대 반도체 양자 광소자 플랫폼을 제시하였다.
연구팀은 원자 한 개 수준의 두께를 갖는 아주 얇은 ‘이 차원 반도체 물질’과 부분적으로 힘(strain) 제어가 가능한 ‘실리콘 미세 소자(MEMS)’를 결합해, ‘양자 광원’ 의 위치와 파장을 동시에 제어하는 데에 성공했다. 제 어 가능한 다수의 양자 광원은 광자 기반의 양자 컴퓨 팅, 양자 통신, 양자 계측 등 다양한 양자 기술에 활용 된다. 따라서 이번 연구결과는 연산 속도와 보안성, 정 확성을 기존보다 높일 양자 정보기술 시대를 앞당길 것 으로 주목받고 있다.
양자 광원은, 전자의 스핀이나 초전도 전류처럼, 양자 정보 처리의 기본 단위인 ‘큐비트(Qubit)’를 구현할 수 있다. 큐비트는 양자 상태에서 1과 0이 중첩되거나 얽히 면서 정보를 표현하는 단위로, 0과 1로 정보를 표현하 는 기존 정보 처리의 단위인 비트(bit)보다 발전된 개념 이다.
큐비트 생성 제어 기술이 핵심
기존 정보처리 기술의 핵심이 다수의 비트를 구현하는 반도체 집적 소자이듯, 실용성 높은 양자 정보 처리를 위해서는 큐비트를 생성하고 제어하는 기술이 핵심이다. 더 많은 정보를 동시에 처리하기 위해서는 더 많은 큐 비트가 집적되어야 하고, 큐비트 간 상호작용을 일으키 기 위해서는 각 큐비트의 특성이 동일해야 한다. 따라 서 광자(빛) 기반의 양자 정보기술을 상용화하려면, 실 제 소자(chip) 위에 다수의 단일 양자 광원을 동시에 생 성하고 제어하는 기술이 필요하다.
지금까지는 아주 작은 양자점을 성장시켜 여러 개의 양 자 광원을 만드는 기술을 사용했는데, 광원의 위치와 파장을 균일하게 조절하는 데 어려움이 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 스카치테이프를 이용 해 얇은 반도체 박막(WSe₂, 텅스텐 디셀레나이드)을 만들고, 이를 피라미드 구조가 규칙적으로 배열된 실리 콘 MEMS 소자에 연결하는 방법을 이용해 광원의 위 치와 파장을 동시에 조절하는 데 성공했다. 원자층 두 께를 갖는 얇은 반도체 물질은 미세한 구조물(피라미 드)에 의해 ‘양자화’될 수 있다는 점에 착안한 것이다.
피라미드 구조의 뾰족한 꼭짓점에 집중된 힘은 반도체 물질의 전자에너지 구조를 변형시켜 단일 양자 광원을 만들어 낸다. 즉 피라미드 구조의 위치를 옮기면 양자 광 원의 위치도 자유롭게 바꿀 수 있다. 양자 광원의 파장 은 꼭짓점에 집중되는 힘의 크기에 따라 달라지는데 이 힘은 실리콘 MEMS 소자 외부에서 전기로 제어 가능하 므로, 양자 광원의 파장도 원하는 대로 조절할 수 있다.  제어 가능한 반도체 양자 광소자 모식도 (왼쪽): 국소 응력 제어를 위한 실리콘 MEMS 구조와 결합된 이차원 반도체 (WSe2) 물질 모식도. (오른쪽 위): WSe2 단일 원자층 물질이 나노 피라미드와 결합되어 있는 전자 현미경 사진. (오른쪽 아래): 전기장으로 제어 가능한 실제 양자 광소자 시료 사진
양자 광학 연구 고체 시스템 구현
이번 연구는 고체 양자 광원의 문제점을 해결할 수 있게 하고, 하나의 칩 안에 동일한 광학 특성을 갖는 다수의 양자광 집적 소자의 개발 가능성을 보여줬다는 데 의미 가 있다. 이번 연구 결과를 통해 앞으로 다양한 양자 광 학 연구를 고체 시스템에서 구현할 수 있는 플랫폼 개발 과 함께 다수의 양자 광원을 기반으로 하는 양자 시뮬레 이터, 양자 이미징 등에 응용 가능할 것으로 보인다.
김제형 교수는 “그동안 반도체 기반 양자 광원의 위치 와 파장을 제어하는 기술이 많이 제시됐지만, 이를 하 나의 소자 내에서 동시에 제어하는 기술은 난제로 남 았었다”며 “이번 연구가 다수 양자 광원 기반의 양자 광학 연구에 도움이 될 것”이라고 기대했다.
반도체 양자 광소자 플랫폼
텅스텐 디셀레나이드(WSe2), 이황화몰리브덴(MoS2)과 같은 이차원 반도체 물질은 기존 3차원 반도체 물질과 비교하여 다양한 플랫폼과 결합이 용이하다. 또 이들 물질의 두께는 원자층 수준으로 얇아 빛을 시료 내부 에 가두지 않고 외부로 효율적으로 방출한다.
이러한 두 가지 장점 때문에 이들 물질이 차세대 광학, 전자 소자의 핵심 소재로 꼽히고 있다. 이번 연구는 이 러한 이차원 반도체 물질의 장점을 활용하면서, 이를 실리콘 MEMS 소자와 결합해 특성 제어가 가능한 ‘반 도체 양자 광소자 플랫폼’을 개발한 것이다.
이번에 개발한 위치와 파장을 동시에 제어할 수 있는 양자 광소자의 핵심 구동 원리는 다음과 같다. 우선 실 리콘 MEMS 기술을 활용하여 실시간 응력 크기 제어 가 가능한 구조체인 마이크로 캔틸레버 (microcantilever)를 제작하고 나노 크기의 피라미드 미 세 패턴을 구조체(cantilever)에 새겨 넣었다. 제작한 MEMS 소자 위에 광원인 이차원 반도체 물질(WSe2)을 결합할 경우, 미세 나노 피라미드 패턴에 의해 이차원 반도체 물질의 전자 에너지 구조가 국소적으로 변형하 게 된다. 에너지 구조의 변형이 수 나노미터(㎚, 1 ㎚는 10억분의 1 m) 정도의 국소적인 공간 안에서 일어나게 되면 매우 좁은 공간에 전자(electron)와 홀(hole)이 국 소적으로 속박되고, 이들은 마치 속박된 단일 원자와 같이 행동(양자화)하게 된다. 연구팀은 이러한 국소 응 력 생성 기술을 이용하여 이차원 반도체 물질 내의 원 하는 위치에서 단일 광자원이 생성되는 것을 실험적으 로 확인했다.
한걸음 더 나아가 양자 광원 생성 위치 제어와 함께 생 성된 광원의 파장을 변조하기 위해서 마이크로 캔틸레 버(micro-cantilever)를 역학적으로 변형시켰다. 이때 양자 구조에 가해지는 국소 응력 크기는 캔틸레버의 변 형으로 인해 추가적인 변화가 나타났으며 이를 통해 단 일 광자 파장을 능동적으로 제어하는 데 성공하였다. 연구팀은 그동안 이차원 반도체 물질 기반의 양자 광 원에서 위치를 제어하거나 파장을 제어하는 기술은 제 안된 바 있으나, 이 두 가지를 모두 제어하는 기술은 이 번에 처음으로 구현한 것이라고 밝혔다.
<Energy News>
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