극저온 양자 인터넷, 상온 작동 가능 기술 개발…연산 신뢰도 81%

▲양자광원 생성 및 CNOT 양자 게이트 작동 설명. (사진제공=한국전자통신연구원)

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

양자 인터넷은 광자의 양자 중첩, 양자 얽힘과 같은 양자역학 현상을 활용해 양자 데이터를 전달하는 새로운 인터넷 기술이다. 기존 인터넷보다 데이터 전송의 보안성을 획기적으로 높이고 계산 능력을 향상할 수 있어 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 초고성능 냉장고에서 원활하게 작동한다. 또한, 자기장, 전류 등 외부의 영향을 최소화할 수 있도록 실험 환경을 갖추는데 큰 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.

▲양자컴퓨터와 슈퍼컴퓨터의 비교. (사진제공=한국전자통신연구원)

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. 또 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. 향후 연구진은 양자 광원 소자의 광자 쌍 생성 비율을 개선하고 광도파로의 전파 손실률을 낮추며 게이트 신뢰도를 99% 이상으로 높이는 등 양자 인터넷 기술을 선도하기 위한 후속 연구를 한다는 계획이다.