ETRI, 상온에서 작동하는 양자 인터넷 핵심기술 개발-세계 최초 질화규소 이용 양자 게이트 구현, 연산 신뢰도 81%

ETRI, 상온에서 작동하는 양자 인터넷 핵심기술 개발-세계 최초 질화규소 이용 양자 게이트 구현, 연산 신뢰도 81%

배포일2020.10.29담당자 양자기술연구단 양자광학연구실

 

 

 

ETRI사진자료1

- ETRI 연구진이 개발한 실리콘 광집적회로 칩 모습

 

ETRI사진자료2

- ETRI 연구진이 실리콘 광집적회로 칩에 입출력 다채널 광섬유를 결합 실장하는 모습

 

ETRI사진자료3

- ETRI 연구진이 상온동작 양자 프로세서 동작 장비를 이용해 양자 게이트를 연구하는 모습

 

ETRI사진자료4~6

- ETRI 연구진이 나노정렬 패키징 장비를 이용해 실리콘 광집접회로 칩과 입출력 광섬유를 정렬하는 모습

 

ETRI사진자료7

- ETRI 연구진이 개발한 실리콘 광집적회로 모듈로 구현한 상온동작 양자 프로세서 장비 모습
ETRI, 상온에서 작동하는 양자 인터넷 핵심기술 개발

- 세계 최초 질화규소 이용 양자 게이트 구현, 연산 신뢰도 81%
- 광학 집적회로 방식 양자 얽힘 광원 및 소자 국내 최초 구현

국내 연구진이 매우 낮은 온도에서만 작동하는 기존 양자프로세서를 상온에서도 작동 가능하게 만드는 기술을 개발했다. 이로써 우리나라 양자 인터넷 기술 경쟁력을 한 층 높이고 상용화에도 큰 도움이 될 전망이다.
한국전자통신연구원(ETRI)은 실리콘 및 질화규소(Si₃N₄ Silicon Nitride. 규소가 질소 반응을 거쳐 만들어지는 물질로 강도, 파괴인성, 열충격 저항성, 내산화성, 저손실 광도파 특성이 우수

)를 이용해 양자 인터넷 구현에 필요한 광원소자와 광집적회로를 개발하고 이를 이용해 양자 게이트(CNOT 컴퓨팅 과학에서 제어된 NOT 게이트(C-NOT 또는 CNOT). 게이트 기반 양자 컴퓨터의 구성에 필수적인 구성 요소 (CNOT 게이트와 단일 큐비트 회전 조합을 사용하면 모든 양자 회로를 구현할 수 있음)

)를 구현하는데 성공했다고 밝혔다.
양자 인터넷은 광자의 양자 중첩 입자의 상태가 0과 1의 중첩된 상태로 존재하고, 확정되어 있지 않고 확률로만 알 수 있는 상태

, 양자 얽힘 여러 개의 입자들이 비고전적인 상관관계를 가지고 양자역학적으로 연결되어 있는 현상. 양자컴퓨팅 등 양자정보처리 수행을 위한 자원으로 이용됨

과 같은 양자역학 현상을 활용해 양자 데이터를 전달하는 새로운 인터넷 기술이다. 기존 인터넷보다 데이터 전송의 보안성을 획기적으로 높이고 계산 능력을 향상시킬 수 있어 양자 클러스터링. 오류율이 낮은 적은 수의 큐비트로 동작하는 양자 컴퓨터들을 양자적으로 상호 연결하여 양자 컴퓨터 계산 능력을 향상시키는 방법. 기존 슈퍼컴퓨터가 여러 프로세서를 병렬적으로 연결하여 계산 능력을 확장하는 개념과 유사
차세대 정보통신 인프라 기술로 손꼽힌다.
양자정보통신은 이온 포획(Ion Trap), 초전도체(Superconductor), 양자 광학 등 다양한 방식으로 구현할 수 있다. 이온 포획, 초전도체 방식은 특성상 –272.9℃ 극저온 절대 영도에 가까운 매우 낮은 온도로 현재 기술로 도달할 수 있는 가장 낮은 온도

, 즉 초고성능 냉장고에서 원활하게 작동한다. 또한, 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. 특히, 이번 성과는 국내에서 광집적회로 양자 게이트 기술을 처음으로 구현한 사례로 더욱 의미가 크다.
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 큐비트(Quantum-bit 기존 정보 기본단위인 비트(bit)가 아닌 양자역학에서 정의되는 기본 단위. 복소수 형태의 0과 1의 중간상태 표현이 가능

)를 CNOT 등의 양자 게이트를 활용해 계산한다.
이를 위해 연구진은 실리콘으로 축퇴사광파혼합 3차 비선형광학 효과의 일종으로 강한 펌프 광자와 비선형 매질의 상호작용(비선형적 간섭현상)하게 만드는 기술

과정을 이용, 광자 쌍 빛의 최소 단위인 광자 2개가 ‘양자 얽힘’ 상태로 존재하는 형태

을 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 저널(Journal of Lightwave Technology) 미국 광학회 및 전자공학회가 공동으로 운영하는 저널로 광학 분야 JCR 상위 20% 이내

에도 게재되며 그 우수성을 알렸다.
아울러 ETRI는 광 전송손실 특성이 좋은 실리콘과 질화규소로 광도파로 빛이 지나가는 길

를 활용, 광집적회로를 만들었다. 양자광원 소자에서 만들어 낸 단일 광자쌍을 이 회로에 입력하면 양자 간섭 양자 상태의 위상이 상호 간섭하는 현상

현상을 통해 광자의 양자 상태를 제어할 수 있다.
광집적회로를 활용하면 양자정보처리 연산 중 하나인 CNOT 양자 게이트 한 큐비트가 다른 큐비트에 영향을 끼치는 얽힘 상태를 볼 수 있는 게이트. 첫 번째 큐비트가 1이면 두 번째 큐비트에 NOT 연산을 수행

구현이 가능하다. 특히, 질화규소 광도파로를 활용한 광집적회로로 CNOT 양자 게이트를 구현한 것은 세계 최초 사례다. 연구진이 개발한 회로로 게이트를 작동한 결과 신뢰도 Fidelity. 양자정보처리에 쓰이는 게이트의 연산 결과값을 얼마나 신뢰할 수 있는지 나타내는 지표.

는 최대 81%를 기록했다. 본 성과는 올해 12월에 열리는 ECOC 2020 유럽의 광학 및 광통신 분야 대표적 국제 우수 학술대회
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.
ETRI 주정진 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 진행되었다. <보도자료 본문 끝>

참고1

양자광원 생성 및 CNOT 양자 게이트 작동 설명

실리콘 광집적회로에 서로 다른 2개 펌프광을 입력하면 SFWM으로 표시된 광도파로 영역에서 축퇴사광파혼합과정에 의해 1550 nm(그림에서 초록색) 얽힘 광자 쌍이 생성된다.
얽힘광자 쌍은 열광학 효과를 이용한 위상제어 영역에서 광자의 위상 φ를 조절하면 최종적으로 위‧아래 출력에서 각각 2개의 광자 쌍 또는 각각의 1개의 광자를 생성할 수 있다.
생성된 단일광자(초록색)를 실리콘나이트라이드(SiN) 광집적회로에 각각 입력하고 SNSPD 단일광자 검출기로 CNOT 게이트 작동 결과를 측정한다.
CNOT 게이트 작동 실리콘나이트라이드 광집적회로는 여러 광분배기로 구성되어 있다. 이를 통해 열광학 효과를 이용하여 1/2 및 2/3 광분배율을 정밀하게 조절한다.
광자의 전파손실은 0.1dB/cm, 입출력 광섬유 광 결합 손실은 1.5 dB/facet 수준이며 편광 의존성이 적고 채널 집적도도 높아 상용화를 위한 많은 장점을 지녔다.

참고2

광집적회로 구조 및 측정 결과

 

<실리콘 광집적회로에서 축퇴사광파혼합 과정을 이용한 단일광자 양자상태 생성 구조>

<1/2 및 2/3 광분배기 구조로 구성된 실리콘나이트라이드 광집적회로 칩 및 패키지>

<81% 신뢰도 CNOT 게이트 작동 측정 결과>

 

참고3

용어 설명

 

큐비트(Qubit)

정보의 최소 표현단위인 비트(bit)를 정의할 때 정보란 묵시적으로 한순간에 0과 1의 값 중 하나를 갖는 것을 의미한다. 그런데, 비트기술이 발전하면서 나노크기의 정보표현기술에서는 이와 같은 이분법적 정보가 아닌 연속적, 중첩, 얽혀있는 정보의 형태가 나타난다는 것을 알게 되었다. 이러한 나노 크기의 물질에 대한 역학이 양자역학인데, 20세기 초부터 많은 연구가 진행되었다. 이로부터 기존의 비트가 아닌 양자역학적 수준에서 정의되는 양자비트(퀀텀비트)를 의미하는 큐비트(qubit)가 새롭게 정의되었다.

큐비트에 기반한 양자 ICT는 기존 비트에 기반한 ICT에 비해 몇 가지 중요한 ICT적 차이점을 갖는다. 먼저 비트는 한 순간에 0 또는 1 중 하나를 표현해야 하지만, 큐비트는 0과 1의 중간상태 그것도 복소수 형태의 중간상태를 표현할 수 있다. 또한 비트와 달리 복소수 형태로 표현되며, 복소수 연산에서처럼 위상에 의한 보강, 상쇄간섭이 나타난다. 그리고, 다수의 큐비트는 시공간적으로 상관성을 가질 수 있다. 이러한 강점은 기존의 비트기반 병렬연산에 비해서 큐비트기반 병렬연산이 또 다른 차원의 계산 능력을 제공하도록 한다. 이러한 요소가 극적으로 반영되는 분야가 양자컴퓨팅이다.

큐비트는 관측을 하는 순간 비트형태로 바뀌며, 모르는 미지의 큐비트는 복사도 불가능하다. 이러한 특성은 비트가 제공하기 어려운 다른 차원의 보안성을 제공한다. 이와 같이 큐비트는 계산성과 보안성 두 가지 측면에서 비트와는 다른 차원의 강점을 제공한다.

 

<표1. 양자컴퓨터와 슈퍼컴퓨터의 비교>

슈퍼컴퓨터
양자컴퓨터
비고
기반
고전역학
양자역학

결정
일의적
병렬적*
*모든상태가 중첩됨
정보처리
비트(bit)단위 이진법
큐비트(Qubit)

계산방법
하나당 하나의 상태 고정
여러 상태를 동시 표현

표현방법
00,01,10,11
(총 8개 비트 필요)
네가지 상태 동시 표현

2의 10제곱 연산
1024 비트 필요
10개 필요

성능
1배
1억 배
슈퍼컴 100년 계산분을
양자컴은 4분 내 완료

※ 현재 구글이 72큐빗 완성 : 2의 72제곱 연산능력