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국내연구팀, 큐비트 정보처리 개선하는 물질 현상 구현

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2017년 12월 22일 17:43 프린트하기

구글과 마이크로소트프, IBM 등 IT 공룡들이 치열한 경쟁을 펼치고 있는 분야 중 하나가 양자 컴퓨터 기술이다. 국내 연구팀이 양자 컴퓨터의 정보 단위인 큐비트간의 정보교환을 보다 효율적으로 처리할 수 있는 방법을 개발했다.

 

서울대 물리천문학부 안경원 교수팀은 큐비트 물질이 빛을 매개로 정보교환을 할때 쓰이는 초방사현상을 단 하나의 원자로 생성하는 방법을 개발해 21일 (현지시각) 학술지 ‘사이언스’ 온라인판에 발표했다.


지금까지는 큐비트간의 정보교환을 할 때 밀집돼 있는 수많은 원자의 초방사 현상을 주로 이용했다.  

 

GIB 제공
GIB 제공 

양자 컴퓨터의 큐비트는 지금 컴퓨터의 비트와 같다고 보면 된다. 하지만 중요한 차이점이 있다. 비트가 0 혹은 1로 확정된 값을 갖는 것과 달리 큐비트의 저장된 정보는 0과 1 중 어느 것인지 관측하기 전까지는 0과 1이 겹쳐 있는 양자 중첩 상태를 유지해 알수 없다는 것이다. 이렇게 중첩 상태에 있는 여러 큐비트를 같은 위상을 가진 양자 얽힘 상태로 만들어 단번에 엄청나게 많은 정보를 병렬로 처리하게 만드는 것이 미래 양자 컴퓨터의 기본 구상이다.

 

논문 제1 저자인 김준기 박사는 “초전도체나 이온, 극초단파 등 큐비트를 생성해 양자컴퓨터를 위한 정보저장 단위로 쓴다”며 “큐비트간의 정보처리 시 빛의 위상을 잘 조절 물질정보를 빛에 잘 담아야 하는데, 이를 제어하는게 어려움이 있었다”고 설명했다.

 

일반적으로 개별 원자들은 각자의 에너지 준위에 맞는 빛(광자)을 내뿜는다. 초방사 현상은 각각의 원자가 내뿜는 빛의 파장 간격보다 더 촘촘하게 수많은 원자들이 특정 공간 안에 뭉쳐 있으면, 개별적으로 빛를 내뿜지 않고 집단적으로 빛을 내뿜는 것을 말한다. 이때 나오는 빛의 에너지는 원자의 수의 제곱에 비례하는 데, 그 에너지가 바로 우리가 확인할 수 있는 레이저가 된다. 

 

이 레이저를 이용해 양자 중첩 상태의 큐비트를 만들 수 있다. 이번에 연구팀은 각각의 원자가 수 십m 떨어져 있는 상태에서도 집단적으로 에너지를 내는 초방사 현상을 만드는 데 성공했다. 뭉쳐있어야만 가능했던 초방사 현상을 단일 원자로 새롭게 구현한 것이다.

 

서울대학교 제공
광공진기 내부 모식도로 두 개의 거울사이 원자를 통과시키면 원자가 내뿜은 빛을 가둘수 있다(a), 연구팀은 수많은 원자가 뭉쳐있어야 가능했던 초방사 현상을 단일원자로 구현했다(B) -서울대학교 제공

연구팀은 먼저 빛을 1 ㎲(마이크로초, 100 만분의 1초) 시간 동안 가두기 위해 반사율이 99.9% 이상인 거울 두 개를 1㎜ 간격으로 마주보게 공진기를 구성하고, 원자를 하나씩 그 안에 밀어 넣었다. 앞서 들어온 원자는 빛(광자)를 공진기 않에 남긴 뒤 빠져나가는 데, 순식간에 수많은 원자를 이와 같이 통과시켰다. 그 결과 공진기 내 먼저 지나간 원자가 남긴 개별 광자가 뒤에 들어 온 원자가 내뿜는 광자들과 물리적인 간섭 현상을 일으켜 초방사 현상을 일으켰다.

 

김 박사는 “큐비트를 통한 정보는 빛이 매개한다”며 “원자들이 내뿜는 빛이 언제 방출될지 그리고 어느 방향으로 방출될지 알기 어려웠다”고 말했다. 그는 “집단이 아닌 개별 광자에서 나오는 초방사 현상을 통해 이를 보다 효과적으로 제어 할 수 있을 것”이라며 “향후 이를 적용해 큐비트 생성을 조절할 수도 있을 것”이라고 기대했다.

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