KAIST 물리학과 김갑진 교수팀
미국 아르곤 국립연구소-일리노이대 UIUC 공동연구
세상에 없는 기술 제안 아이디어에서 출발
극저온 냉각장비 없이 상온 작동 양자컴 개발 토대 마련

[이데일리 김현아 기자] KAIST(총장 이광형)가 ‘자석으로 양자컴퓨터를 만든다’는 전례 없는 발상으로 세계 최초 자성체 기반 양자연산 핵심 기술을 실현하는 데 성공했다.

KAIST 물리학과 김갑진 교수 연구팀은 미국 아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory), 일리노이대 어바나-샴페인(UIUC)과의 공동 연구를 통해, 자석의 성질을 이용한 ‘광자-마그논 하이브리드 칩’을 개발하고, 양자연산에 필수적인 다중 펄스 간 결맞음 간섭 현상을 실시간으로 구현하는 데 세계 최초로 성공했다고 6일 밝혔다.

이 연구는 KAIST의 ‘글로벌 특이점 연구사업’의 일환으로 진행됐으며, “자석으로 양자컴퓨터를 만들 수 있을까?”라는 파격적인 질문에서 출발한 도전적 연구로, 양자 스핀트로닉스(quantum spintronics) 분야의 새로운 지평을 열었다는 평가를 받고 있다.

물리학과 송무준 박사(왼쪽), 물리학과 김갑진 교수(오른쪽)이다. 사진=KAIST

양자정보 신호, 자석 사이에서 손실 없이 전달

연구진은 자성체 ‘이트륨 철 가넷(YIG)’을 활용해 마그논(magnon)이라 불리는 자석 내부의 스핀 집단 진동을 생성하고, 이를 초전도 회로와 결합해 멀리 떨어진 자석 간 위상 정보를 실시간 전송·조절할 수 있음을 입증했다.

두 개의 YIG 구체를 12mm 간격으로 배치하고, 그 사이에 구글·IBM 양자컴퓨터에 쓰이는 초전도 공진기를 설치하여 실험한 결과, 최대 4개의 마이크로파 펄스를 입력했을 때 마그논 신호가 손실 없이 전달되었고, 간섭 제어까지 성공했다.

특히 각 펄스 간 시간 차이와 주파수를 정밀 조정함으로써 마그논 위상 정보의 보강 및 상쇄 현상을 실시간으로 관측했고, 이를 통해 마그논 양자 상태 제어가 가능하다는 점을 세계 최초로 입증했다.

초전도 회로 기반 마그논-광자 하이브리드 시스템. 출처=KAIST

양자 스핀트로닉스와 상온 작동 양자컴퓨터의 가능성 제시

마그논은 비상호성(nonreciprocity) 특성을 활용해 양자 노이즈를 줄이고, 광 및 마이크로파와 동시 결합이 가능하다는 장점이 있다.

특히 반강자성체(antiferromagnet)를 적용하면 THz 대역에서 작동하는 차세대 양자컴퓨터 구현도 기대된다.

이는 복잡한 극저온 냉각장비 없이도 상온에서 작동 가능한 양자컴퓨터 개발의 토대를 마련하는 성과로, 하드웨어 제약을 극복할 중요한 단초가 될 전망이다.

자성체 기반 양자연산이 실험적으로 검증되며, 새로운 양자컴퓨팅 플랫폼으로 발전할 가능성 제시한 셈이다.

이는 고속 양자통신, 소형 양자칩, 상온 작동 양자컴퓨터 등에 응용될 수 있다.

김갑진 교수는 “세상에 없는 기술을 제안하라는 KAIST의 도전적 연구 프로그램에서 출발한 아이디어가 실험적 성과로 이어졌다”며 “이번 연구는 고효율 양자정보 처리 장치 개발을 위한 결정적인 전환점이 될 것”이라고 강조했다.

국제 학술지 2건 연속 게재… 국내 양자기술 위상 높여

이번 연구 결과는 세계적 학술지 Nature Communications(2025년 4월 1일)와 npj Spintronics(2025년 4월 17일)에 연이어 게재되며 학계의 주목을 받았다.

이번 연구는 KAIST 글로벌특이점연구사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구, 선도연구센터, 양자정보과학 인력양성사업 및 미국 에너지부의 지원을 받아 수행됐다.

김현아 (chaos@edaily.co.kr)

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