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양자컴퓨팅 원자를 던지고 받는 기술 개발
양자컴퓨터의 기본 구성요소인 원자를 이동하여 배치하는 기술은 리드버그 양자컴퓨팅 연구에 매우 중요하다. 하지만 원자를 원하는 위치에 배치하려면, 일반적으로 광 집게라고 불리는 매우 집속된 레이저 빔을 사용해, 원자를 하나씩 잡아서 운반해야 하는데 이렇게 운반하는 동안 원자의 양자 정보가 변화할 가능성이 크다.
우리 대학 물리학과 안재욱 교수 연구팀이 레이저 빔을 이용하여 루비듐 원자를 하나씩 던지고 받는 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.
연구팀은 광 집게가 원자와 접촉하는 시간을 최소화하여 양자 정보가 변하지 않도록 원자를 던지고 받는 방법을 개발했다. 연구팀은 원자의 온도가 매우 낮아 절대 영도 이하 4천만분의 일의 온도의 차가운 루비듐 원자가 광 집게의 초점을 따라서 빛이 가하는 전자기력에 매우 민감하게 움직인다는 특성을 이용했다.
연구팀은 광 집게의 레이저를 가속해서 원자에 광학적 킥을 줘서 원자를 목표지점으로 보낸 다음, 다른 광 집게로 날아오는 원자를 잡아서 멈추게 했다. 원자의 비행 속도는 65cm/s이고, 이동 거리는 최대 4.2 마이크로미터다. 기존의 광 집게로 원자를 잡아서 이동하는 기술과 대비해 원자를 던지고 받는 기술은 원자 이동을 위한 광 집게 이동 경로 계산이 필요 없어지고, 원자 배열에 생기는 결함을 쉽게 고칠 수 있다. 결과적으로 많은 개수의 원자 배열을 생성하고 유지하는 데 효과적이며, 양자 정보를 지닌 원자(flying atom qubit)를 추가로 던지고 받는 때에 양자 배열의 구조변화를 전제하는 새롭고 더욱 강력한 양자컴퓨팅 방법을 연구할 수 있다.
안재욱 교수는 “이 기술이 더 크고 강력한 리드버그 양자 컴퓨터를 개발하는 데 사용될 것”이라 말한다. “리드버그 양자 컴퓨터에서 원자는 양자 정보를 저장하고, 전자기력을 통해 인접한 원자들과 상호작용해 양자컴퓨팅을 수행할 수 있도록 배치된다. 만약 오류가 발생해 원자를 교체하거나 이동해야 할 경우, 원자를 던져서 빠르게 재구성하는 방법이 효과적일 수 있다”고 말한다.
우리 대학 물리학과 황한섭, 변우정 박사과정 연구원과 일본 국가자연과학연구소의 실바앙 드 레젤러크 연구원이 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `옵티카(Optica)' 3월 10권 3호에 출판됐다. (논문명 : Optical tweezers throw and catch single atoms).
이번 연구는 삼성미래기술재단의 지원으로 수행됐다.
2023.03.27 조회수 485 -
양자컴퓨팅 한계를 극복하는 3차원 반도체 제어/해독 소자 집적 기술 개발
우리 대학 전기및전자공학부 김상현 교수 연구팀이 *모놀리식 3차원 집적의 장점을 활용해 기존 양자 컴퓨팅 시스템의 대규모 큐비트 구현의 한계를 극복하는 3차원 집적된 화합물 반도체 해독 소자 집적 기술을 개발했다고 24일 밝혔다. ‘모놀리식 3차원 집적 초고속 소자’ 연구 (2021년 VLSI 발표, 2021년 IEDM 발표, 2022년 ACS Nano 게재)를 활발하게 진행해 온 연구팀은 양자컴퓨터 판독/해독 소자를 3차원으로 집적할 수 있음을 처음으로 보였다.
☞ 모놀리식 3차원 집적: 반도체 하부 소자 공정 후, 상부의 박막층을 형성하고 상부 소자 공정을 순차적으로 진행함으로써 상하부 소자 간의 정렬도를 극대화할 수 있는 기술로 궁극적 3차원 반도체 집적 기술로 불린다.
우리 대학 전기및전자공학부 김상현 교수 연구팀의 정재용 박사과정이 제1 저자로 주도하고 한국나노기술원 김종민 박사, 한국기초과학지원연구원 박승영 박사 연구팀과의 협업으로 진행한 이번 연구는 반도체 올림픽이라 불리는 ‘VLSI 기술 심포지엄(Symposium on VLSI Technology)’에서 발표됐다. (논문명 : 3D stackable cryogenic InGaAs HEMTs for heterogeneous and monolithic 3D integrated highly scalable quantum computing system).
VLSI 기술 심포지엄은 국제전자소자학회(International Electron Device Meetings, IEDM)와 더불어 대학 논문의 채택 비율이 25%가 되지 않는 저명한 반도체 소자 분야 최고 권위 학회다.
양자컴퓨터는 큐비트 하나에 0과 1을 동시에 담아 여러 연산을 한 번에 처리할 수 있는 차세대 컴퓨터로, 최근에 IBM과 구글 등의 글로벌 기업이 양자 컴퓨터 제작에 성공하면서 양자 컴퓨터가 차세대 컴퓨터로 주목받고 있다.
기존 컴퓨터의 정보 단위인 `비트'의 경우 1 비트당 1개의 값만 가지는 것에 반해, 양자 컴퓨터의 정보 단위인 `큐비트'는 1 큐비트가 0과 1의 상태를 동시에 가진다. 따라서 비트에 비해 큐비트는 2배 빠른 계산이 가능하고, 2큐비트, 4큐비트, 8큐비트로 큐비트 수가 선형적으로 커질수록 처리 계산 속도는 4배, 8배, 16배로 지수적으로 증가한다. 따라서 많은 수의 큐비트를 활용한 대규모 양자컴퓨터 개발이 매우 중요하다. IBM에서는 큐비트 수를 127개로 늘린 `이글'을 작년에 발표했고, IBM 로드맵에 따르면 오는 2025년까지 4,000큐비트, 10년 이내에 10,000큐비트 이상을 탑재한 대규모 양자컴퓨터 개발을 목표로 하고 있다.
특히 큐비트의 수가 많은 대규모 양자컴퓨터 개발을 위해서는 큐비트를 제어/해독하는 소자에 대한 개발이 필수적이다. 기존 컴퓨터와 다르게 양자컴퓨터는 통상 –273 oC 내외의 극저온에서 동작하는 큐비트 하나당 최소 하나의 제어와 해독 연결이 필요하다. 현재는 큐비트 수가 많지 않아 극저온에서 동작하는 큐비트와 상온의 측정 장비를 긴 동축케이블로 연결해 제어/해독하는 방식을 사용하고 있다.
하지만 수천 혹은 수만 개 이상의 큐비트를 활용하는 대규모 양자 컴퓨팅에서 이러한 방식을 활용하면 양자 컴퓨터 크기가 매우 커지고 긴 연결 거리로 인해 신호 손실도 커 대규모 양자컴퓨터 구현이 매우 어려워진다. 따라서 큐비트를 제어/해독에 활용할 수 있는 저전력, 저잡음, 초고속 특성의 극저온 소자를 큐비트와 일대일로 연결할 수 있는 시스템 구성이 매우 중요하다.
연구팀은 이러한 문제 해결을 위해 큐비트 회로 위에 저전력, 저잡음 초고속 특성이 매우 뛰어난 *III-V 화합물 반도체 *고전자 이동 트랜지스터(HEMT)를 3차원으로 집적해 수천 혹은 수만 개의 큐비트에 아주 짧은 거리에서 일대일로 연결 가능한 구조를 제시했다.
☞ III-V 화합물 반도체: 주기율표 III족 원소와 V족 원소가 화합물을 이루고 있는 반도체로 전하 수송 특성 및 광 특성이 매우 우수한 소재.
☞ HEMT: High-Electron Mobility Transistor
연구팀은 250oC 이하에서 상부 제어/해독 소자를 집적하는 웨이퍼 본딩 등의 초저온 공정을 활용해 이후 하부 큐비트 회로의 성능 저하 없이 3차원 집적을 할 수 있도록 했다.
연구진은 이러한 3차원 집적 형태의 제어/해독 소자를 최초로 제시 및 구현했을 뿐만 아니라 소자의 성능 면에서도 극저온에서 세계 최고 수준의 차단주파수 특성을 달성했다.
김상현 교수는 "이번 기술은 향후 대규모 양자컴퓨터의 제어/판독 회로에 응용이 가능할 것으로 생각한다ˮ라며 "모놀리식 3차원 초고속 소자의 경우 양자컴퓨터뿐만이 아니라 6G 무선통신 등 다양한 분야에서 응용할 수 있어 그 확장성이 매우 큰 기술이며 앞으로도 다양한 분야에서 활용할 수 있도록 후속 연구에 힘쓰겠다ˮ라고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 지능형반도체기술개발사업, 경기도 시스템반도체 국산화 연구지원 사업, 한국기초과학지원연구원 분석과학연구장비개발사업(BIG사업) 등의 지원을 받아 수행됐다.
2022.06.24 조회수 2415 -
20큐비트급 소형 리드버그 양자컴퓨터 개발
우리 대학 물리학과 안재욱, 문은국 교수 연구팀이 20큐비트급 리드버그 양자컴퓨터를 개발해 계산과학의 난제인 최대독립집합 문제를 계산했다고 22일 밝혔다.
양자컴퓨터는 양자역학의 원리를 사용하여, 디지털컴퓨터로는 불가능한 계산을 수행할 것으로 예상되는 대표적 미래기술이다. 20큐비트급 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터가 백만회 순차 처리해야 하는 계산량을 한 번에 처리하는 계산성능을 갖는다.
세계 주요국들은 양자컴퓨팅을 전략기술로 분류해, 국가적 연구역량을 집중하고 있으며 글로벌 대기업, 기술벤처, 국가연구소와 주요 대학의 막대한 시설과 인력, 연구비가 동원되고 있다. 우리나라 정부도 양자기술을 10대 전략기술의 하나로 선정해 투자를 확대하고 있다.
소형(20~50큐비트급)의 양자컴퓨터가 속속 개발되고 있는 현시점에서, 가장 중요한 이슈 중 하나는 `디지털컴퓨팅 알고리즘으로는 비효율적인 계산 문제(NP-문제로 분류됨)를 양자컴퓨터가 계산할 수 있는지'이다.
따라서, KAIST가 20큐비트급의 양자컴퓨터를 개발해 NP-완전문제를 계산했다는 것은 한국의 양자컴퓨팅 연구가 세계적 양자컴퓨터 개발경쟁에 진입하였음을 의미한다.
우리 대학 물리학과 안재욱, 문은국 교수 연구팀은 리드버그 원자들을 이용해, 조합 최적화 문제를 계산하는 양자 단열 컴퓨팅 방식의 양자컴퓨터를 개발했다. 연구팀은 초고진공 공간에 배치한 극저온 리드버그 원자를 사용해, 20큐비트급 그래프의 조합 최적화 문제를 실험적으로 계산하는 데 성공했다.
물리학과 김민혁, 김강흔 대학원생 연구원과 황재용 학부생 연구원이 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 피직스(Nature Physics)' 6월 18권 7호에 출판됐다. (논문명 : Rydberg quantum wires for Maximum Independent Set problems).
한편 리드버그 원자란 높은 에너지 상태의 원자로서, 일반 원자보다 만 배 정도 큰 마이크로미터 크기의 지름을 갖고, 리드버그 원자들간의 상호작용은 일반 원자들보다 10^22배 정도로 강하다.
양자 단열형 양자컴퓨팅은 양자 회로형(또는 양자디지털형), 측정기반형과 함께 범용양자컴퓨팅 방식으로 알려져 있다. 대표적인 양자 단열형 양자컴퓨터인 D-wave 社의 양자컴퓨터는 고정 큐비트를 사용한다는 결정적 단점이 있다. 하지만 KAIST의 리드버그 양자 단열형 양자컴퓨터는 재배치 또는 이동이 가능한 큐비트를 사용하기 때문에 주목을 받는다.
KAIST 리드버그 양자컴퓨터는 초고진공 상태에 최대 126개의 리드버그 원자들을 임의로 배치해 양자 단열형 양자컴퓨팅을 수행한다. 이번에 발표한 최근 연구에서는 꼭지점이 최대 20개인 그래프의 최대독립집합을 계산하는데 성공했다. 또한 원거리 꼭지점들을 잇는 리드버그 양자선 개념을 최초로 개발해 모든 꼭지점들을 임의로 연결하는 초기하학적 그래프를 계산할 수 있음을 보였다.
참고로, 디지털 컴퓨팅에서 모든 계산 문제들을 계산복잡도에 따라 P-문제(결정 다항)와 NP-문제(비결정적 다항)로 분류한다. 여행자 문제(Traveling Salesman Problem), 최대독립집합 문제 등으로 대표되는 NP-문제들은 디지털 컴퓨팅의 알고리즘으로는 효율적으로 계산할 수 없음이 잘 알려져 있다. 따라서, 양자컴퓨터가 NP-문제들을 계산할 수 있을지가 큰 관심사다.
최대독립집합 문제는 대표적인 NP-완전문제의 하나이며, 주어진 그래프(꼭지점과 간선의 집합)에서 서로 연결되지 않는 꼭지점들의 최대집합을 알아내는 계산 문제다. 그래프의 크기가 커지면, 디지털컴퓨팅 알고리즘으로는 계산량이 지수적으로 증가해 효과적인 계산을 할 수 없다. 이러한 문제를 효과적으로 계산하게 되면 산업적으로 물류, 생산관리, 작업관리, 네트워크 디자인 등에서 혁명적 경제가치를 창출하게 된다.
<그림 1> 은 리드버그 양자선(각각 빨강, 주황, 노랑 꼭지점들)을 이용하여 간선으로 연결되지 않는 데이터 큐비트(하얀 꼭지점들)를 연결하는 3차원 큐비트 구조체의 모식도이다. 이 구조는 쿠라토프스키 그래프로 잘 알려진 K(3:3) 그래프이다. 참고로 쿠라토프스키 K(3:3)와 K(5) 그래프쌍은 상대적으로 만들기 쉬운 평면그래프와 조합하여 모든 그래프를 만들 수 있다. 우리 대학 연구진은 본 연구에서 K(3:3)와 K(5)를 실험적으로 최초 구현하였다.
연구를 주도한 물리학과 안재욱 교수는 “이번 연구는 리드버그 양자컴퓨터의 활용 가능성을 보였다는 데 의의가 있다”라고 자평하며 “아직은 큐비트 개수가 충분하지 않지만, 차 단계 연구를 통해 실 활용이 가능한 꿈의 양자컴퓨터를 개발할 수 있을 것”이라는 포부를 밝혔다.
한편 이번 연구는 삼성미래기술재단과 한국연구재단의 지원으로 수행됐다.
2022.06.22 조회수 3952 -
조용훈 교수, 피라미드 구조로 방향성과 집광 효율을 높인 고성능 반도체 양자 광원 개발
우리 대학 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 반도체 피라미드 구조의 양자점이 피라미드 밑면으로 강한 빛을 방출함을 발견하고 이 빛을 높은 효율로 모을 수 있는 기술을 개발했다.
김세정, 공수현 박사가 공동 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 나노분야 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 10월 12일자에 게재됐다.
반도체 양자점은 빛 알갱이를 하나씩 내뿜는 단일광자원(양자광원)으로 활용가능하다. 단일광자원은 미래의 양자컴퓨터 또는 양자암호기술 등을 구현하기 위한 필수 요소이다.
일반적인 양자점은 불규칙적인 위치에 형성되는 반면 3차원 피라미드 구조에 얇게 양자우물(Quantum well)을 성장시키면 정확히 피라미드 꼭짓점 위치에 양자점(Quantum dot)을 형성할 수 있다. 이 기술을 활용하면 위치가 제어된 단일광자원을 높은 수율로 얻을 수 있다.
하지만 양자점에서 나오는 빛은 빛 알갱이 개수가 적고 양자점이 굴절률 높은 반도체 물질에 갇혀 있기 때문에 일반적으로 구조 바깥으로 빠져나오기 어렵다. 반도체 단일광자원 소자가 상용화 단계로 나아가려면 빛의 집광 효율을 높여야만 한다.
연구팀은 일반적으로 가지고 있는 고정관념을 벗어나 문제를 해결했다. 피라미드 구조의 빛의 지향성(directionality)을 관찰했고 이를 이용했다. 그 동안 피라미드 양자점에서 나오는 빛은 피라미드의 위, 즉 꼭짓점 방향으로 나오는 신호만을 측정했다. 피라미드 밑면 방향으로는 성장 과정상 두꺼운 기판이 반드시 존재하기 때문이다.
하지만 연구팀은 시뮬레이션을 통해 양자점이 피라미드 위쪽보다 밑면 방향으로 더 많은 빛을 방출함을 확인했다.
또한 피라미드 밑면 방향으로 진행하는 빛은 가우시안 형태의 전기장 분포 형태를 갖고 있어, 광도파로 또는 광섬유의 단일 모드와 잘 일치한다. 이는 제품과 전선을 결합하듯이 광원과 광도파로 간의 결합 효율을 높일 수 있다.
이에 연구팀은 폴리머를 이용해 피라미드 구조체를 기판에서 떼어냈다. 피라미드의 밑면으로 나오는 빛이 두꺼운 반도체 기판을 거치지 않고 공기 중으로 직접 방출되도록 한 것이다.
연구팀이 떼어낸 피라미드는 쉽게 다른 광학 소자들과 직접 결합할 수 있어 피라미드 양자점의 응용분야가 확대될 수 있는 발판이 될 것으로 기대된다.
조 교수는 “이번 연구 내용은 양자 광원 뿐 아니라 LED와 같은 광원 소자에도 적용 가능해 활용도가 높을 것으로 기대된다.”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 KAIST 기후변화연구 허브사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 폴리머로 떼어낸 피라미드 양자점의 모식도
그림2. 피라미드 양자점에서 방출된 빛의 상반구 및 하반구 먼장 (far-field) 방출 패턴(좌)와 폴리머로 떼어내기 전후의 나노 피라미드 구조체(후)
2016.10.18 조회수 14339 -
박정기 교수팀, 빛에 의해 움직이는 고분자를 이용한 나노광학소자 신기술 개발
- 빛으로 나노광학구조의 모양과 크기를 자유자재로 제어할 수 있는 리소그래피 방법 세계 최초 개발- 회절한계를 극복한 영역에서 빛을 다룰 수 있는 나노광학구조로 분자 탐지 및 양자컴퓨터의 실용화 길 열어
생명화학공학과 박정기(朴丁基, 58) 교수팀이 조사되는 빛의 조건을 정교하게 조절하여 모양과 크기가 자유자재로 제어될 수 있는 고분자 나노패턴을 만들고 이를 형틀로 이용해 회절한계를 극복한 영역에서 빛을 다룰 수 있는 나노광학구조를 모양과 크기를 자유롭게 조절하면서 대면적으로 손쉽게 만들 수 있는 방법을 최근 개발했다.
이번 연구결과는 ‘방향성 광유체화 리소그래피를 이용한 모양과 크기가 제어된 나노구조체 제작(Directional Photofluidization Lithography for Nanoarchitectures with controlled shapes and sizes)"이라는 제목으로 나노과학 및 기술 분야의 최고 권위지인 나노 레터스(Nano Letters) 온라인판에 17일 게재됐다. 현재 관련기술은 국내.외 특허 출원중이다.
이번 연구는 교육과학기술부의 21세기 프론티어연구사업단 산하 나노소재기술개발사업단의 지원을 받아 박정기교수 연구실의 주도하에 KAIST 물리학과 이용희 교수, 신종화 박사, 미국 스탠포드대 샨휘 판(Shanhui Fan)교수 등의 공동연구로 이뤄졌다.
지금까지 개발된 나노광학소자 제작 방법은 구조의 모양과 크기, 두 가지를 동시에 그리고 대면적으로 균일하게 제어하는 것이 어려웠다. 특히 10nm 이하의 초미세 영역에서 구조의 모양과 크기를 대면적으로 제어하는 것은 미세구조체 제작 연구 분야에서 달성하기 어려운 과제로 인식되어 왔다.
박교수팀은 빛을 받았을 때 움직이는 고분자를 이용해 이 문제를 해결했다. 고분자 선모양 패턴에 빛을 조사해주면 고분자의 광유체화 현상이 발생해 조사된 빛의 편광 방향에 평행하게 고분자가 이동을 한다. 따라서 고분자의 선패턴 사이의 간격을 나노영역까지 손쉽게 줄일 수 있다. 또한 빛을 부분적으로 조사해주면 원하는 지역에서만 고분자의 광유체화 현상을 발생시켜 원하는 모양의 고분자 나노구조체를 제작할 수 있다. (그림1 참조)
박교수팀은 이를 이용해 양끝이 뽀족한 유선형 모양의 나노안테나를 대면적으로 제작하는데 성공했다.
나노안테나는 현재 일반적으로 이용되고 있는 안테나를 나노크기로 줄인 소자이며 양 끝을 뾰족하게 처리해야만 빛 증폭 효과를 극대화시킬 수 있다. 나노안테나는 회절한계를 극복한 영역에서 빛을 증폭시킬 수 있는 소자로서 광자컴퓨터 및 광자 분자 탐지를 위한 센서와 같은 첨단 광학소자 개발을 위한 가장 핵심적인 요소로 인식되고 있는 기술 중의 하나다.
박교수팀은 같은 원리를 이용해 대면적에 고집적화된 나노선 제작에도 성공했으며 이를 이용한 나노트랜지스터, 양자메모리, 양자디스플레이 등 첨단전자 소자개발에도 새로운 가능성을 보여줬다.
박 교수는 “첨단 광학소자의 필수 요소인 나노안테나 및 나노선 뿐만 아니라 수나노 크기의 대면적 초미세 소자 가능성을 새롭게 열었기 때문에 그 동안 접근하지 못했던 분자 수준의 소자 제작을 가능하게 해줄 것으로 기대된다”며 “실용적 소자 제작과 더불어 초미세 영역의 기초 물리 및 화학 연구에도 새로운 전기가 될 것”이라고 말했다.
이 논문의 제1저자인 이승우(李承祐, 27)연구원은 “이번 연구결과를 토대로 앞으로 광자컴퓨터 및 메모리와 같은 나노광학소자 실용화를 앞당길 수 있는 실제 소자제작 연구를 진행할 것”이라고 말했다.
2009.12.21 조회수 15759