실리콘 포토닉스 4-큐비트 칩/패키지 사진 및 양자회로 개념도

세계 최초 8광자 큐비트 집적회로 칩 개발 성공
ETRI, 양자 얽힘 구현한 실리콘 포토닉스 칩 성과

한국전자통신연구원(ETRI)이 세계 최초로 8개의 광자를 이용해 양자 얽힘을 구현한 큐비트 집적회로 칩을 개발했다. 이번 성과는 ETRI의 양자컴퓨터 기술 경쟁력을 한층 강화하는 중요한 진전으로 평가된다.

ETRI는 실리콘 포토닉스 기반 양자칩을 확장해 8개 광자를 제어할 수 있는 시스템을 구축했다고 밝혔다. 이를 통해 발생하는 양자 현상을 실험하며, 시공간에서 양자 얽힘을 구현하는 데 성공했다.

그동안 ETRI는 실리콘 포토닉스 양자칩 연구를 꾸준히 이어왔다. 지난해에는 KAIST와 이탈리아 트렌토 대학교와 협력해 4개의 광자를 제어하는 4큐비트 실리콘 포토닉스 칩에서 2큐비트와 4큐비트의 양자 얽힘을 성공적으로 구현했다. 이 성과는 세계적인 학술지인 *Photonics Research*와 *APL Photonics*에 게재됐다.

ETRI는 2큐비트 및 4큐비트 양자 얽힘 연구 성과를 바탕으로 8큐비트로 확장된 칩을 제작해 6큐비트 양자 얽힘 현상을 확인했다. 이는 실리콘 기반 광기술 집적회로 기준으로 세계 최초의 성과로, 큰 의미를 지닌다.


특히 광자의 경로를 위로 가면 0, 아래로 가면 1로 표현해 4큐비트는 총 8개의 경로, 8큐비트는 16개의 경로로 확장된다. 연구진은 칩 내에서 큐비트 간의 강한 양자 얽힘 상태를 구현했다.

광자 기반 양자컴퓨터 기술은 양자컴퓨터 개발의 주요 기술 중 하나로 평가받는다. 손톱만 한 크기의 실리콘 칩에 광자 기반 양자 회로를 포함시키고, 여러 개의 양자칩을 네트워크로 연결해 범용 양자컴퓨팅을 구현하는 기술이다. 이 기술은 빠른 속도, 상온 동작, 낮은 오류율, 확장성, 낮은 에너지 소비 등의 장점이 있다.

연구진은 이번 칩에 광자생성기, 위상변조기, 광스위치 등의 광학 소자를 포함시켜 빛의 경로를 조절하고, 이를 통해 양자 간섭을 가능하게 했다. 칩 내에는 비선형 광자 쌍생성 소스 8개와 광 경로를 조절하는 광스위치가 약 40개 포함돼 있으며, 이 중 20여 개는 양자 게이트 역할을 담당한다. 이를 통해 단일광자 검출기를 이용한 양자 상태 측정이 가능해졌다.

특히 연구진은 두 개의 광자가 만나 얽히는 홍-오우-만델(Hong–Ou–Mandel) 효과를 칩 내에서 확인했다. 또한, 5mm×5mm 크기의 4큐비트 집적회로에서 시작된 HOM 간섭 실험에 이어, 더 많은 광자의 경로 얽힘을 확인하며 양자 현상을 연구 중이다.

ETRI는 올해 16큐비트 칩 개발을 목표로 연구를 진행하고 있으며, 이후 32큐비트로 확장해 양자 기계학습(ML) 등의 응용 연구에 활용할 계획이다. 윤천주 양자기술연구본부장은 “향후 기술적 완성도를 높여 양자컴퓨터를 통한 클라우드 서비스도 계획 중이며, 실험실 수준에서도 시스템이 동작할 수 있도록 연구를 진행 중이다”고 밝혔다.

ETRI 양자컴퓨팅연구실의 이종무 박사는 “양자컴퓨터 구현 연구는 전 세계적으로 활발히 진행되고 있으며, 큐비트의 노이즈로 인한 오류를 극복하기 위해선 여전히 많은 연구가 필요하다”고 전했다.

이번 연구는 ETRI의 신개념 연구사업인 ‘실리콘 포토닉스 기반 양자컴퓨터 탐색연구’와 한국연구재단의 양자컴퓨팅개발사업의 지원을 받아 진행됐다. ETRI는 그동안 양자암호통신, 양자컴파일러, 양자내성암호 등 양자 기술 분야에서 다수의 성과를 이루어내며 세계적인 양자연구기관으로 자리 잡았다. 앞으로도 양자컴퓨팅, 양자통신, 양자 센서 분야 연구와 상용화에 주력할 계획이다.