ETRI, 상온 작동 양자 인터넷 핵심기술 개발

[아이뉴스24 김문기 기자] 국내 연구진이 매우 낮은 온도에서만 작동하는 기존 양자프로세서를 상온에서도 작동 가능하게 만드는 기술을 개발했다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 실리콘 및 질화규소(Si₃N₄)를 이용해 양자 인터넷 구현에 필요한 광원소자와 광집적회로를 개발하고 이를 이용해 양자 게이트(CNOT)를 구현하는데 성공했다고 29일 발표했다.

양자 인터넷은 광자의 양자 중첩, 양자 얽힘 과 같은 양자역학 현상을 활용해 양자 데이터를 전달하는 새로운 인터넷 기술이다. 기존 인터넷보다 데이터 전송의 보안성을 획기적으로 높이고 계산 능력을 향상시킬 수 있어 차세대 정보통신 인프라 기술로 손꼽힌다.

양자정보통신은 이온 포획, 초전도체, 양자 광학 등 다양한 방식으로 구현할 수 있다. 이온 포획, 초전도체 방식은 특성상 –272.9℃ 극저온, 즉 초고성능 냉장고에서 원활하게 작동한다. 자기장, 전류 등 외부의 영향을 최소화할 수 있도록 실험 환경을 갖추는데 많은 비용이 든다는 단점이 있다.

연구진은 기술선점을 위해 양자 광학 방식을 택했다. 주변 환경에 영향을 덜 받아 상온에서 작동할 수 있고 작은 크기로 집적하기도 쉬워 상용화에 유리하기 때문이다.

고전 정보는 0 혹은 1 중 확정된 상태를 지닌 비트(bit)를 OR, AND 등 논리 회로인 게이트를 활용해 연산을 수행한다. 반면 양자 정보는 0 혹은 1 상태가 확정되지 않은 큐비트를 CNOT 등의 양자 게이트를 활용해 계산한다.

이를 위해 연구진은 실리콘으로 축퇴사광파혼합 과정을 이용, 광자 쌍을 만드는 양자광원 소자를 개발했다. 양자 데이터를 전달하기 위해 빛의 최소 단위이자 큐비트 역할을 하는 빛 알갱이인 광자(光子)를 한 개씩 만들어 내는‘레이저 총’을 개발한 셈이다.

양자광원 소자는 얽힘 상태에 있는 광자 쌍을 1:700 비율로 생성할 수 있다. 이는 세계 최고 수준의 성능으로 지난해 11월, 국제 학술지인 라이트 웨이브 테크놀로지 저널에도 게재되며 그 우수성을 알렸다.

아울러 ETRI는 광 전송손실 특성이 좋은 실리콘과 질화규소로 광도파로를 활용, 광집적회로를 만들었다. 양자광원 소자에서 만들어 낸 단일 광자쌍을 이 회로에 입력하면 양자 간섭 현상을 통해 광자의 양자 상태를 제어할 수 있다.

광집적회로를 활용하면 양자정보처리 연산 중 하나인 CNOT 양자 게이트 구현이 가능하다. 특히, 질화규소 광도파로를 활용한 광집적회로로 CNOT 양자 게이트를 구현한 것은 세계 최초 사례다. 연구진이 개발한 회로로 게이트를 작동한 결과 신뢰도는 최대 81%를 기록했다. 본 성과는 올해 12월에 열리는 ECOC 2020 국제 학술대회에서도 발표될 예정이다.

연구진의 기술은 양자 인터넷 구현의 핵심기술인 얽힘 광자 쌍 및 양자 프로세서 칩 개발의 서막을 연 것으로 평가된다. ETRI는 20여 년 넘게 광 집적회로 기술 연구 노하우와 원천기술 덕분에 성과를 낼 수 있었다고 설명했다. 향후 반도체 공정기술을 이용해 양자 연산 신뢰도를 높이고 게이트 확장에도 유리해 전망도 밝은 편이다.

주정진 ETRI 양자광학연구실장은“양자 인터넷 핵심기술 개발 및 산업화에 국내 반도체 산업의 강점을 활용, 우리나라가 미래 인터넷 강국의 선도적 역할을 수행할 수 있도록 기여하고 싶다”고 밝혔다.

향후 연구진은 양자 광원 소자의 광자 쌍 생성 비율을 개선하고 광도파로의 전파 손실율을 낮추며 게이트 신뢰도를 99% 이상으로 높이는 등 양자 인터넷 기술을 선도하기 위한 후속 연구를 한다는 계획이다. 본 과제는 과학기술정보통신부 '양자 광집적회로 원천기술 연구'과제로 진행됐다.