꿈같은 '상온 양자컴' 현실화할까…핵심 기술, 한국에서 나왔다

상온 상태의 2차원 자석에서 스커미온 입자를 생성하고 전기적 제어하는 모습을 나타낸 모식도 /사진=표준연

국내 연구팀이 '상온 양자컴퓨터'를 현실화하기 위한 핵심 기술을 확보하는 데 성공했다. 향후 상온 양자컴퓨터 및 AI(인공지능) 반도체 개발의 핵심 기반 기술로 활용될 전망이다.

한국표준과학연구원(표준연·KRISS)은 황찬용 양자자기센싱그룹 책임연구원이 이끄는 연구팀이 김갑진 KAIST 물리학과 교수, 임미영 미국 로렌스버클리국립연구소(LBNL) 박사와 함께 2차원 상온에서 '스커미온(Skyrmion)'을 생성하고 제어하는 데 세계 최초로 성공했다고 11일 밝혔다.


스커미온은 소용돌이 모양으로 배열된 독특한 입자. 1961년 영국 물리학자 토니 스커미가 처음 제안했다. 외부 환경이 변해도 형태와 구조를 유지하려는 성질이 있어, 나노미터(nm) 수준의 작은 크기로 만들 수 있다. 또 아주 적은 전력만 가해도 입자가 이동한다.

스커미온의 특성은 메모리, 논리 소자, 통신 소자 등 차세대 전자소자에 적용하기에 매우 유용하지만, 이를 구현하기 위해선 각각의 스커미온 입자를 원하는 위치에 정확히 생성했다가 없애는 등 자유자재로 조작하는 기술이 필요하다.

2차원 환경에서 구현한 스커미온에 전력을 가해 제어하고 있는 모습. /사진=표준연

연구팀은 상온 상태의 2차원 자석에서 스커미온을 생성하고 제어하는 데 성공했다. 2차원 자석은 원자 한 개 수준의 두께를 갖는 매우 얇은 소재로, 자성을 갖는다. 표면이 사포처럼 거친 3차원 자석과 달리 표면이 얼음같이 매끄럽다. 그만큼 마찰이 덜 발생하기 때문에 적은 전력으로도 스커미온 입자를 안정적으로 움직일 수 있다는 장점이 있다.


연구팀은 자석 표면에 매우 미세한 전압과 자기장을 공급해 스커미온을 구현했다. 이후 생성된 스커미온에 전류를 가해 원하는 방향으로 움직이도록 제어했다.

그 결과 스커미온 제어에 소비되는 전력이 기존 3차원 자석에 비해 약 1000분의 1 정도인 것으로 확인됐다. 입자의 크기도 10배 이상 작아져 안정성과 속도 측면에서 유리해졌다는 설명이다.

표준연은 "상온 상태의 2차원 자석에서 스커미온을 만드는 기술은 비슷한 시기에 미국과 중국에서도 보고됐지만, 생성을 넘어 전기적 제어까지 성공한 사례는 이번이 세계 최초"라고 밝혔다.

연구팀은 이번 기술을 상온 큐비트(양자컴퓨터 계산에 쓰이는 기본 단위) 제작에 활용할 수 있다고 설명했다. 상온 큐비트를 실제로 만든다면, 초저온 환경에서만 구동하던 양자컴퓨터의 한계를 넘어 '상온 양자컴퓨터'까지 개발할 수 있을 것으로 내다봤다.

양승모 선임연구원은 "최근 AI의 발전과 함께 전력 수요가 폭증하면서 초저전력 반도체 소자의 필요성이 커지고 있다"며 "스커미온 제어 기술을 응용하면 차세대 AI 반도체 소자도 설계할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 나노및소재기술개발사업의 지원을 받았다. 관련 논문은 지난 5월 저명 학술지 '어드밴스드 머티리얼스'에 게재됐다.

연구를 이끈 양승모 표준연 양자자기센싱그룹 선임연구원(왼쪽), 황찬용 표준연 양자자기센싱그룹 책임연구원(오른쪽) /사진=표준연