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지속적인 개발 끝 얻은 결과

ETRI는 실리콘포토닉스 양자 칩을 확장해 광자 8개를 제어할 수 있는 시스템을 완성했다. 또한 8개의 광자에 의해 발행하는 양자 현상들을 실험 중이다. 이는 광자^* 기술을 적용해 시공간상에서 양자의 얽힘 구현을 가능하게 만들었다고 볼 수 있다.
* 광자: 빛의 다른 말. 양자물리에서 빛은 하나, 둘 셀 수 있는 광자 상태이다.

실리콘 포토닉스 4-큐비트 칩 / 패키지 사진 및 양자 회로 개념도

연구진은 그동안 실리콘포토닉스 양자 칩 연구를 꾸준히 추진해 왔다. 지난해, 연구진은 KAIST 및 이탈리아 트렌토(Trento) 대학과 협력해 광자 4개를 제어할 수 있는 4큐비트 실리콘 포토닉스 칩에서 2큐비트^*와 4큐비트 양자 얽힘^**을 구현해 세계 최고의 성능을 보여줬다. 본 성과는 세계적인 학술지 『포토닉스 리서치(Photonics Research)』와 『에이피엘 포토닉스(APL Photonics)』에 각각 게재^***됐다.

ETRI는 2큐비트 및 4큐비트 양자얽힘 논문 발표 이후 8큐비트로 확장된 칩을 제작해 6큐비트 양자얽힘 현상도 이번에 확인했다. 연구진은 이번 8큐비트 생성 및 제어 양자 칩을 개발해 6큐비트 양자얽힘 현상 확인 결과가 실리콘 기반 광기술(Si Photonics) 집적회로 기준으론 세계 최초의 성과라는데 큰 의미가 있다고 말했다.
* 2큐비트 양자얽힘(Bell 95% 충실도): Bell 상태는 두 개의 광자 큐비트가 얽혀 있는 상태이며, 이론적인 얽힘 상태 대비 측정값이 충실도에 해당함.
** 4큐비트 양자얽힘(GHZ 85% 충실도): GHZ 상태는 세 개 이상의 광자 큐비트가 얽혀 있는 상태이며, 이론적인 얽힘 상태 대비 측정값이 충실도에 해당함. 본 연구에서는 4개의 광자 큐비트가 얽힘 GHZ 상태를 구현하여 측정함.
*** 2023년 11월(Photonics Research) 및 APL Photonics(2024년 7월)

양자컴퓨터 제작의 유력 기술

ETRI의 광자 기반 기술은 양자컴퓨터를 만드는 방법^* 중 가장 유력한 기술 중 하나다. 손톱만 한 크기의 실리콘 칩에 광자 기반 양자 회로를 포함한 실리콘 포토닉스 양자 칩을 만들고, 여러 개의 양자 칩들을 네트워크로 연결해 범용 양자컴퓨팅을 구현하는 기술이다. 특히 광자 기반 양자컴퓨터는 빠른 속도, 상온 동작, 낮은 오류율, 확장성, 낮은 에너지 소비율 등의 장점이 있다. 양자 광원, 선형 광소자 및 단일광자 측정기 등을 활용, 광학 시스템에 인코딩된 양자정보를 조작, 측정한다.

ETRI가 개발한 칩 내에는 비선형 광자 쌍생성 소스 8개와 광 경로를 조절하는 광스위치가 40여 개 들어 있으며 광스위치 중 20여 개는 양자 게이트^** 역할을 한다. 이로써 단일광자 검출기를 통해 양자 상태를 측정하는 양자컴퓨터의 기본 틀을 갖췄다.
* 양자컴퓨터를 만드는 방법: 세계 유수의 연구그룹들은 광자 기반 방식 이외에도 초전도체, 이온, 원자, 양자점, 다이아몬드 등으로 양자컴퓨터를 연구 중이다.
** 양자 게이트: 양자 게이트는 0과 1 사이의 복소수로 표현되는 큐비트의 값을 임의로 제어하여 변화시키는 소자임.

양자 회로 1-큐비트 및 2-큐비트 상태의 토모그래피 측정 결과

양자 회로 4-큐비트 GHZ state 토모그래피 측정 결과

ETRI는 특히 서로 다른 방향에서 진입한 두 개의 광자가 만나면 서로에게 영향을 줘서 함께 뭉쳐 진행하는 양자 현상인 홍-오우-만델(Hong–Ou–Mandel)^* 효과를 칩 내에서 측정했다. 연구진은 5mm×5mm 크기 4큐비트 집적회로를 만들어 HOM 간섭 실험에 이어서 광자 두 개를 더한 4개의 광자의 경로가 얽히며 일어나는 양자 현상들을 논문에 발표했다.
* 2광자 양자간섭(HOM(Hong-Ou-Mandel) 간섭 98% 가시성): 구별할 수 없는 동일한 광자 두 개가 45도의 반 반사 거울에서 만날 때 두 개의 광자가 함께 뭉쳐서 가는 양자 현상. 광자 큐비트 양자 상태의 완성도를 구별하는 척도로 사용되며, 뭉쳐서 지나가는 확률이 가시성에 해당함.

확장되는 연구

현재 ETRI는 10mm×5mm 크기의 8큐비트 집적회로를 만들어 총 8개의 광자에서 발생하는 양자 현상들을 연구 중이다. 연구진은 향후 기술의 완성도를 높여 올해 중 16큐비트 칩 개발에 도전하고, 이후 32큐비트로 확장 개발, 양자 기계학습(ML)을 포함한 양자컴퓨팅 응용 연구에 이용할 계획이다.

ETRI 윤천주 양자기술연구본부장은 “향후 기술적 완성도를 제고해 양자컴퓨터를 통해 외국의 사례처럼 5년 내 클라우드 서비스를 계획 중이다. 실험실 규모라도 시스템이 돌아가도록 만들어 새로운 영역의 학문 개척에 나설 방침이다”라고 말했다.

이번 성과를 주도한 ETRI 양자컴퓨팅연구실 이종무 박사는 “양자컴퓨터의 실제적인 구현을 위한 연구가 전 세계적으로 앞다퉈 진행 중이다. 큐비트의 노이즈로 인한 연산 오류를 극복하는 양자컴퓨팅 구현과 상용화를 위해서는 아직도 많은 연구가 필요하다”라고 밝혔다.