하버드대, 양자 컴퓨팅 판도 바꿀 '꿈의 칩' 개발

하버드 대학교 연구팀이 다중 광자 양자 상태를 제어하는 혁신적인 방법을 개발하며 양자 컴퓨팅 기술 발전에 중요한 발자취를 남겼다고 과학 기술 전문매체 인터레스팅 엔지니어링이 26일(현지시각) 보도했다.

보도에 따르면 존 A. 폴슨 공학 및 응용과학대학원(SEAS)의 페데리코 카파소 교수팀은 여러 개의 기존 광학 부품 기능을 하나의 초박형 평면 소자에 통합한 메타표면을 활용해 복잡한 양자 연산을 수행하는 데 성공했다.


빛의 기본 입자인 광자는 실온에서 정보를 빠르게 전달하는 탁월한 잠재력을 가지고 있어 실용적인 양자 컴퓨터 및 네트워크 개발 경쟁에서 핵심적인 역할을 한다. 그러나 기존에는 광자를 제어하고 양자 얽힘과 같은 병렬 계산에 필수적인 양자 과정을 구현하기 위해 렌즈, 거울, 빔 분할기 등 수많은 개별 부품으로 구성된 복잡한 네트워크가 필요했다. 이러한 시스템은 부품 수가 많고 불완전해 확장성이 매우 떨어진다는 기술적 난제를 안고 있었다.

하버드 연구팀은 이러한 복잡한 구성을 대체할 단일 메타표면을 설계했다. 메타표면은 빛의 파장보다 작은 나노 크기의 구조로 패턴화된 초박형 평면 소자로, 빛의 위상 및 편광과 같은 특성을 정밀하게 제어할 수 있다.

인터레스팅 엔지니어링에 따르면 논문의 제1 저자인 케롤로스 MA 유세프 대학원생은 "우리는 확장성 문제를 해결하는 데 중요한 기술적 이점을 도입하고 있다"며 "이제 전체 광학 장치를 매우 안정적이고 견고한 단일 메타표면으로 소형화할 수 있게 됐"고 강조했다.


이번 연구의 핵심은 다중 광자 양자 상태의 수학적 복잡성을 처리하기 위한 새로운 설계 프로세스를 개발한 것이다. 연구팀은 네트워크 내 연결을 표현하는 수학 분야인 그래프 이론을 적용해 광자 간의 필요한 간섭 경로를 매핑했다. 이 추상적인 그래프는 메타표면의 나노스케일 패턴의 물리적 레이아웃으로 변환됐다.

연구 과학자 닐 싱클레어는 "그래프 접근법을 사용하면 메타표면 설계와 광학적 양자 상태가 동전의 양면과 같은 역할을 한다"고 설명했다. 이 방법은 특정하고 복잡한 양자 상태를 생성하는 데 필요한 장치를 구성하는 체계적인 방법을 제공한다.


이렇게 설계된 메타표면은 여러 가지 실용적인 이점을 제공한다. 일체형 디자인은 여러 개의 개별 부품으로 구성된 구성보다 본질적으로 더 안정적이고 환경적 교란에 덜 민감하다. 또한, 이 기술은 반도체 산업에서 널리 사용되는 기술을 사용해 제작되었으며, 비용 효율적이고 재현 가능한 생산 방식을 제시한다. 양자 정보의 무결성을 유지하는 데 중요한 요소인 광 손실 또한 최소화된다.

이 기술은 양자 컴퓨팅을 넘어 다양한 분야에 적용될 수 있다.

하버드 보도자료에 따르면, 이 연구는 메타표면 기반 양자 광학을 구현한 것으로, 실온 양자 컴퓨터와 네트워크로 나아가는 길을 개척하는 것을 넘어 양자 감지에 도움이 되거나 기초 과학을 위한 '칩상 실험실' 기능을 제공할 수 있다고 밝혔다. 이번 하버드 연구팀의 혁신적인 성과는 양자 기술의 상용화에 한 걸음 더 다가서는 중요한 발판이 될 것으로 기대된다.


이태준 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com