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초전도 비밀 밝힐 극저온 ‘전자 질서’ 양자현상 포착
전류가 손실 없이 흐르는 초전도 현상을 비롯한 물질 내부 양자현상의 비밀은 전자들이 언제 함께 움직이고, 언제 흩어지는지에 있다. 우리 대학 연구진이 전자들이 질서를 만들고 깨뜨리는 순간을 직접 ‘눈으로’ 확인하는 데 성공했다.
우리 대학은 물리학과 양용수·이성빈·양희준·김용관 교수팀이 미국 스탠퍼드대학교와 국제 공동연구를 통해, 양자물질 내부에서 전하밀도파(Charge Density Wave)*가 형성되고 사라지는 과정을 공간적으로 시각화하는 데 세계 최초로 성공했다고 20일 밝혔다.
*전하밀도파: 특별한 양자물질을 매우 낮은 온도로 식혔을 때 전자들이 마치 군무를 추듯 일정한 간격으로 늘어서며 이루는 줄무늬 또는 그물 무늬 같은 패턴
초전도 상태는 에너지 손실 없이 전류가 100% 흐르는 상태로, 아주 낮은 온도에서 특정한 물질에서만 나타난다. (-)전하를 띠는 전자들은 일반적인 환경에서 서로 밀어내지만, 초전도 상태의 전자들은 놀랍게도 둘씩 짝을 이뤄 움직이는 것으로 알려져 있으며, 이 성질은 MRI 병원 검사 기계와 자기부상열차 등에 이미 활용되고 있다. 이와 같이 전하들이 서로 강하게 얽혀 만들어내는 특별한 양자상태는 양자컴퓨터와 같은 차세대 양자기술의 기반이 된다.
초전도 현상을 비롯한 극저온 양자현상을 양자컴퓨터 등에 활용하기 위해서는 물질 속 전자들을 원하는 대로 정밀하게 제어하는 기술이 필수적이다. 하지만 극저온 환경에서 전자들이 만들어 내는 전하밀도파의 무늬 패턴은 어떻게 생기고 사라지는지 직접 관측하기 어려워 많은 부분 베일에 싸여 있었다.
연구진은 액체헬륨으로 냉각한 특수 전자현미경과 4차원 주사투과전자현미경(4D-STEM)을 이용해 전자 무늬의 변화를 실시간으로 관찰했다.
이번 연구는 물이 얼면서 얼음 결정이 자라는 모습을 초고배율 카메라로 촬영하는 것과 비슷하다. 다만 물 대신 약 –253℃의 극저온에서 전자들이 배열되는 모습을 관찰했고, 카메라 대신 머리카락 굵기의 10만 분의 1까지 볼 수 있는 전자현미경을 사용했다는 점이 다르다.
연구 결과, 전자 무늬는 물질 전체에 균일하게 나타나지 않았다. 어떤 영역에서는 선명한 무늬가 보이지만, 바로 옆에서는 전혀 나타나지 않았다. 이는 마치 호수가 한 번에 얼지 않고, 얼음과 물이 섞여 있는 모습과 같다.
연구팀은 이러한 현상이 물질 내부의 아주 미세한 변형(strain)과 깊이 연결돼 있다는 사실도 밝혀냈다. 눈으로는 거의 느낄 수 없는 작은 압력이나 뒤틀림이 전자 무늬의 형성을 방해하는 것이다.
반대로 일부 영역에서는 온도가 올라가도 전자 무늬가 쉽게 사라지지 않고 남아 있는 현상도 관찰됐다. 이는 작은 섬처럼 고립된 ‘양자 질서’가 고온에서도 유지되는 모습으로, 기존 이론으로는 설명하기 어려웠던 결과다.
연구팀은 또 하나의 중요한 성과를 냈다. 전하밀도파 전자 무늬를 이루는 전자들이 서로 얼마나 멀리까지 영향을 주는지를 세계 최초로 정량적으로 밝혀낸 것이다. 이는 단순히 ‘무늬가 있다, 없다’를 넘어서 전자 질서가 어떻게 연결되고 유지되는지를 이해할 수 있게 해 양자물질 연구에 새로운 분석 틀을 제시한 성과로 평가된다.
전하밀도파와 초전도 상태는 때로는 서로 경쟁하고 때로는 서로를 돕는 관계로 알려져 있으며, 이번 연구 결과는 고온 초전도체 연구와도 자연스럽게 연결된다. 즉, 전자 무늬가 안정적으로 유지되는 조건을 알게 되면 초전도 전류가 더 잘 흐르는 재료를 설계할 수 있는 길이 열리는 것이다.
연구를 주도한 양용수 교수는 “그동안은 이론이나 간접 측정에 의존할 수밖에 없었던 극저온에서의 전자 질서와 양자상태의 미세한 변화를 이제는 직접 ‘눈으로 확인’할 수 있게 됐다”며, “양자물질의 숨겨진 질서를 밝혀냄으로써 미래 양자기술의 재료 개발을 가속할 중요한 돌파구”라고 밝혔다.
이번 연구에는 홍석조·오재환·박제민 연구원(KAIST)이 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 성과는 물리학 분야 세계적 학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters) 2026년 1월 6일 자에 게재됐다.
※논문명: Spatial correlations of charge density wave order across the transition in 2H-NbSe₂, DOI: https://doi.org/10.1103/776d-dnmf
본 연구는 한국연구재단 개인기초연구지원사업, 기초연구실, 나노소재기술개발사업, KAIST 특이점교수사업의 지원을 받아 수행됐다.
2026.01.20 조회수 899 -
C-band 세계 최고 성능 ‘양자 인터넷 핵심 광원’ 개발
C-band(씨밴드)는 광섬유를 통해 인터넷 신호가 가장 멀리, 가장 적게 손실되며 전달되는 ‘최적의 빛 파장대(약 1550 nm)’를 말한다. 즉, 인터넷이 가장 잘 달리는 고속도로의 색깔이라고 생각하면 된다. 이 파장에서 원하는 시점에 발생되는 확정적 양자 광원을 안정적으로 만들어내는 기술은 전 세계가 해결하지 못한 큰 난제였다. 그런데 한국 연구진이 C-band에서 세계 최고 품질(동일성 72%, 순도 97%)의 단일 광자원을 만드는 데 성공했다.
우리 대학은 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 올해 상온에서도 작동되는 광통신 대역의 위치 제어된 단일 광자원을 실험적으로 구현한데 이어서, 세계 최고 수준의 ‘구별불가능한 동일 광자’를 만드는 C-band 대역의 양자 광원을 잇달아 개발했다고 30일 밝혔다.
일반적인 손전등은 빛을 ‘우르르’ 쏟아내지만, 단일 광자원은 빛을 한 번에 딱 하나씩 꺼내는 장치다. 이 빛은 복사가 불가능하기에 도청이 거의 불가능한 양자 통신의 핵심 요소다.
또한, 만들어낸 광자들이 서로 완전히 똑같아 보일 정도로 동일하면 두 광자를 합쳤을 때 특이한 양자 효과(홍–오–만델 간섭, Hong-Ou-Mandel)가 나타나고, 이 효과는 양자 중계기, 양자 순간이동, 양자 네트워크 구축 등과 같은 미래 양자 인터넷의 필수 기술을 구현하는 바탕이 된다. 즉, ‘빛을 원하는 시점에 하나씩 만들고 (순도), 그 빛들을 완전히 똑같게 만드는 능력(동일성)’이 양자 인터넷을 위한 양자 광원의 핵심 성능이다.
■ 연구성과 1) 상온에서도 잘 작동하는 광통신 대역의 위치 조절된 단일 광자원 개발
연구팀은 상온에서도 잘 작동하는 단일 광자원을 개발하기 위해 질화갈륨(GaN)이라는 재료의 결함에서 나오는 단일 광자에 주목했다. 하지만 이 기술은 결함이 아무 곳에서나 생기고 빛이 박막 안에서 갇혀 빠져나오기 어렵고 효율이 낮다는 문제가 있었다.
연구팀은 미세 패턴을 새긴 사파이어 기판(PSS)을 만들고 그 위에 GaN 박막을 성장시켜 빛이 나오는 결함의 위치를 원하는 대로 조절하고, 빛이 완전히 갇히지 않고 밖으로 잘 나오도록 만드는 데 성공했다. 그 결과, 상온에서도 통신용 파장대(1.1–1.35 µm)에서 단일 광자의 위치와 밀도를 제어하면서 보다 안정적으로 만들 수 있게 됐다. 이 연구는 김혜민 박사과정이 제 1저자로 참여했으며, 양자 기술 분야 국제 학술지인 ‘Advanced Quantum Technologies’ 게재되었고 2월호 표지 논문으로 선정됐다. (논문명: Spatial Distribution Control of Room-Temperature Single Photon Emitters in the Telecom Range from GaN Thin Films Grown on Patterned Sapphire Substrates, DOI: 10.1002/qute.202400177)
한국연구재단의 중견연구자지원사업, 정보통신기획평가원의 양자암호통신집적화 및 전송기술 고도화 사업, 그리고 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 수행됐다.
■ 연구성과 2) 광섬유 인터넷과 바로 연결되는 C-band 대역의 고동일성 양자 광원 개발
전 세계 인터넷은 (1550 nm 부근의) C-band 대역의 빛을 표준으로 사용한다. 왜냐하면 이 파장은 광섬유 속에서 가장 적게 약해지고, 가장 멀리 전달되기 때문이다.
따라서 이 파장에서 양자 광원을 만들어내면 기존 인터넷망과 그대로 연결되는 양자 인터넷이 가능하다. 문제는 이 파장에서 높은 품질의 확정적 단일 광자를 만드는 것이 세계적으로 가장 어려운 기술 중 하나라는 점이다.
양자점은 ‘아주 작은 빛 공장’처럼 크기에 따라 낼 수 있는 빛의 색이 달라지는데, 기존 재료(GaAs 위에 InAs)로는 양자점이 너무 작게 형성되어 주로 900 nm 부근의 양자 광원을 성능 좋게 잘 만들 수 있었다.
연구팀은 먼저 장파장의 빛을 내는, 더 큰 양자점을 만들 수 있도록 ‘재료 조합’을 새로 설계했다. 이에 InP 기판과 InAlGaAs 장벽 조합을 도입해 더 큰 InAs 양자점을 성장시키는 데 성공했고, 이 양자점이 드디어 1550 nm (C-band), 즉 광섬유 통신에서 사용하는 파장에서 단일 광자를 효과적으로 만들어내도록 했다. 결국, 재료 조합을 바꿔 더 큰 ‘빛 공장’을 지어 C-band 빛을 구현한 셈이다.
다음으로 연구팀은 광자 품질을 높이기 위한 구조적 개선을 적용했다. 성장된 양자점을 중심에 두고 초정밀 원형 브래그 격자(CBG) 구조를 제작함으로써 빛 알갱이인 광자가 더 빠르고 깨끗하게 방출하도록 하였다. 쉽게 말해 빛 공장에 특수 배광 장치를 달아 보다 많은 빛이 빠르게 빠져나오도록 한 것이다.
또한 양자점을 켜는 방식(여기 방식)도 개선했다. 기존 방식은 잡음이 섞이거나 시간이 지날수록 빛의 색이 흔들려 광자들이 서로 완전히 같아지지 않는 문제가 있었다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 준공명 p-shell 여기 방식을 사용했다. 이는 빛이 나오는 에너지(s-shell) 보다 위 단계(p-shell)를 살짝 건드려 양자점을 부드럽고 안정적으로 켜는 방식이다. 이렇게 하면 원하는 빛 만을 잘 선택할 수 있고 잡음과 시간 흔들림이 크게 줄어든다.
이러한 두 가지 기술(구조 개선 + 준공명 p-shell 여기)을 결합한 결과, 연구팀은 동일성 72%와 순도 97%라는 C-band 최고 품질 기록을 달성했다.
물리학과 김재원 박사과정이 제 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 양자 기술 분야 국제 학술지인 ‘Advanced Quantum Technologies’ 게재되었고 10월호 표지 논문으로 선정됐다. (논문명: Two-Photon Interference from an InAs Quantum Dot Emitting in the Telecom C-Band, DOI: 10.1002/qute.202500069)
한국연구재단 양자기술 국제협력 강화사업 “칩 스케일 다수 확장 양자광원 및 광집적회로 기술개발”등의 지원을 받아 독일 뷔르쯔부르크 대학과 공동연구로 수행되었다.
조용훈 교수는 “기존 광섬유 통신망과 바로 연결될 수 있는 파장에서 사용될 수 있는 확정적 양자 광원을 세계 최고 수준으로 얻은 결과”라고 밝혔다.
이어 “최근 선정된 양자과학기술 플래그십 프로젝트를 통해 이러한 확정적 양자 광원의 동일성을 95% 이상으로 더욱 고도화하여, 양자컴퓨터·양자통신·초정밀 센싱 등 차세대 양자기술의 성능을 결정짓는 핵심 기반 기술인 다중 광자 얽힘 기술을 개발할 계획”이라고 말했다.
2025.12.01 조회수 1024 -
빛 기반 양자컴퓨터 연산을 ‘CT처럼’ 완전히 들여다본다
빛(광학)을 기반으로 한 양자컴퓨터는 빠른 속도와 높은 확장성을 갖춘 차세대 컴퓨팅 기술로 주목받고 있다. 하지만 여러 개의 빛 신호(광학 모드)가 동시에 얽혀 작동하는 복잡한 연산 과정을 실험으로 정확히 규명하는 것은 매우 어려운 기술로 여겨져 왔다. 우리 대학 연구팀은 이러한 한계를 극복해, 복잡한 다중 광학모드 양자 연산을 CT처럼 훤하게 볼 수 있는 효율적인 기술을 세계 최초 개발했다. 이번 기술은 적은 데이터로도 대규모 연산을 분석할 수 있어, 차세대 양자컴퓨팅과 양자통신 기술 발전에 중요한 전환점을 마련했다.
우리 대학은 물리학과 라영식 교수 연구팀이 빛을 이용해 연산하는 양자컴퓨터의 내부에서 일어나는 다중 광학모드 양자연산의 특성을 빠르고 정확하게 파악할 수 있는 양자연산 토모그래피(Quantum Process Tomography) 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.
양자컴퓨터의 ‘CT 촬영’ 기술, 한계를 뛰어넘다
‘토모그래피(Tomography)’는 의료용 CT처럼 보이지 않는 내부 구조를 다양한 데이터를 바탕으로 복원하는 기술이다. 양자컴퓨팅에서도 동일하게, 여러 실험 데이터를 이용해 양자연산 내부의 작동 원리를 재구성하는 기술이 필수적이다. 양자컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 월등한 성능을 내려면 동시에 조작할 수 있는 양자 단위(큐빗 or 모드)의 수가 많아야 한다. 하지만 큐빗 또는 광학 모드의 수가 늘어날수록 토모그래피에 필요한 작업량이 기하급수적으로 증가해, 기존 기술로는 5개 이상의 광학 모드를 분석하는 것조차 어려웠다.
연구팀은 이번 기술로 양자연산 내부에서 실제로 무슨 일이 일어나는지 CT 촬영하듯 명확하게 그려낼 수 있게 되었다.
증폭 행렬·잡음 행렬 기반의 새로운 수학 프레임워크 제시
양자컴퓨터 안에서는 여러 개의 빛 신호가 서로 영향을 주며 매우 복잡하게 얽혀 움직인다. 연구팀은 비선형 광학 과정(nonlinear optical process)을 정밀하게 기술하는 새로운 수학적 표현을 도입했다.
빛이 서로 영향을 주고받으며 변하는 복잡한 양자 상태를 빛이 얼마나 증폭되고 어떻게 변했는지에 대한 ‘증폭 행렬(Amplification matrix)’과 외부 환경 때문에 생긴 잡음이나 손실이 얼마나 섞였는지에 대한‘잡음 행렬(Noise matrix)’이라는 두 가지 틀로 분석하는 방식이다.
이 방식은 빛이 본래 가진 양자특성 변화(이상적인 변화)와 현실 세계에서 피할 수 없는 잡음(비이상적인 변화)을 각각 따로, 동시에 정확하게 볼 수 있는 '양자 상태 지도'를 만든 것으로 실제 양자컴퓨터의 동작을 더욱 현실적으로 규명할 수 있다.
데이터량은 혁신적으로 줄이고 분석은 16모드까지 확대
연구팀은 양자연산이 어떻게 작동하는지 알아내기 위해 여러 종류의 ‘빛 신호(양자상태)’를 입력하고, 그 결과가 어떻게 바뀌었는지 하나하나 정밀하게 관찰했다. 그리고 이렇게 모은 데이터를 가장 정확한 방식으로 설명해주는 통계 기법(최대우도추정)을 이용해 ‘실제로 내부에서 어떤 연산이 일어났는지’를 역으로 추적했다.
그 결과, 기존 방식은 모드가 조금만 늘어나도 필요한 분석 양이 폭발적으로 많아져 사실상 5개 정도까지만 분석이 가능했지만, 이번 기술은 필요한 계산량을 크게 줄여, 세계 최초로 무려 16개의 광학 모드(빛 신호)가 서로 얽혀 작동하는 대규모 양자연산을 실험적으로 규명하는데 성공했다.
라영식 교수는 “이번 연구는 양자컴퓨팅의 필수 기반기술인 양자연산 토모그래피의 효율을 획기적으로 높인 성과”라며, “확보한 기술은 향후 양자컴퓨팅·양자통신·양자센싱 등 다양한 양자기술의 확장성과 신뢰성을 높이는 데 크게 기여할 것”이라고 말했다.
물리학과 곽근희 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 참여하고 노찬 박사후연구원, 윤영도 석박사통합과정 학생, 임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London)의 김명식 교수가 공동 저자로 참여한 이번 연구는 저명 국제 학술지 `네이처 포토닉스(Nature Photonics)'에 2025년 11월 11일 온라인판으로 정식 출판됐다.
※ 논문명: Completely characterizing multimode second-order nonlinear optical quantum processes, DOI:10.1038/s41566-025-01787-x
한편 이번 연구는 한국연구재단 (양자컴퓨팅 기술개발사업, 중견연구자 지원사업, 소재혁신 양자시뮬레이터 개발사업, 양자기술연구개발 선도사업, 기초연구실 지원사업)과 정보통신기획평가원 (양자인터넷 핵심원천기술 사업, 대학ICT연구센터지원사업) 및 미국 공군연구소의 지원을 받아 수행됐다.
2025.11.17 조회수 1636 -
광자 시간결정에서의 자발 방출·여기 현상 첫 규명
빛과 원자의 상호작용에서 핵심적인 ‘자발 방출(spontaneous emission)’ 현상이 광자 시간결정(Photonic Time Crystal, PTC) 안에서 새로운 양상으로 나타난다는 사실이 규명됐다. KAIST 연구진이 주도한 이번 연구는 기존 이론을 뒤집고, 더 나아가 새로운 ‘자발 방출 여기(spontaneous emission excitation)’ 현상을 예측하였다.
우리 대학은 물리학과 민범기 교수 연구팀은 신소재공학과 신종화 교수, 기계공학과 전원주 교수, 물리학과 조길영 교수 및 IBS 연구단, UC버클리, 홍콩과기대 등과 협력하여, 광자 시간결정에서 자발 방출 붕괴율이 2022년 Science에 실린 논문에서 제기된 ‘소멸’이 아니라, 반대로 향상된 값을 갖는다는 점을 입증했다고 밝혔다. 또한, 원자가 바닥 상태에서 들뜬 상태로 전이하며 동시에 광자를 방출하는 새로운 과정인 ‘자발 방출 여기’ 현상도 예측하였다.
자발 방출은 원자가 스스로 광자를 방출하는 과정으로, 양자광학과 광소자 연구의 기초가 된다. 지금까지는 공진기나 광자결정 같은 공간 구조를 설계해 자발 방출을 제어해왔으나, 매질의 굴절률을 시간적으로 주기적으로 변조하는 광자 시간결정이 등장하면서, 시간축에서의 제어 가능성이 주목받고 있다.
기존 이론은 광자 시간결정에서 자발 방출 붕괴율이 특정 주파수에서 완전히 사라진다고 예측했지만, 이번 연구는 반대로 붕괴율이 현저히 향상됨을 처음으로 증명했다. 이는 비직교 모드 효과에 기인하는 것으로, 비보존 광학 연구의 중요성을 부각시켰다.
연구팀은 또한, 원자가 바닥 상태에서 에너지를 얻어 들뜬 상태로 올라가면서 동시에 광자를 방출하는 ‘자발 방출 여기’라는 새로운 과정을 예측하여 보고했다. 이는 시간결정 매질이 외부에서 에너지를 공급함으로써 가능해진 비평형 과정으로, 기존 평형 광학에서는 설명할 수 없는 새로운 빛-물질 상호작용 현상이다.
이번 연구 결과는 자발 방출 연구의 패러다임을 근본적으로 전환시키며, 향후 양자 광원 설계, 비평형 양자광학 등 폭넓은 분야로 응용될 수 있다.
민범기 교수는 “이번 성과는 시간적으로 빠르게 변화하는 환경 하에서 자발 방출을 설명하는 근본 이론을 재정립한 것으로, 자발 방출 붕괴의 향상과 ‘자발 방출 여기’ 현상은 빛-물질 상호작용 연구의 패러다임을 바꿀 수 있다”고 밝혔다.
이번 연구는 이경민 박사과정생이 제1저자로 참여했으며, 그 결과는 2025년 9월 23일자 국제 학술지 Physical Review Letters 온라인판에 게재되었고, 동시에 Physics.org에서 하이라이트되었으며, 편집자 추천(Editors' Suggestion) 논문으로 선정되었다. 이 연구는 한국연구재단과 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행되었다.
※ 논문명 : *Spontaneous emission decay and excitation in photonic time crystals*
2025.10.01 조회수 1325 -
수소전기차 연료전지 촉매 성능 저하 비밀 풀었다
수소전기차의 핵심인 연료전지 작동 중 촉매의 ‘열화 과정(어떻게 망가지고 성능이 떨어지는지)’을 우리 연구진이 국제연구진과 함께 세계 최초로 원자 단위에서 3차원으로 직접 추적하는 데 성공했다. 이번 성과는 고성능·고내구성 연료전지 개발을 앞당겨 미래 친환경 교통수단과 에너지 전환에 크게 기여할 것으로 기대된다.
우리 대학 물리학과 양용수 교수와 신소재공학과 조은애 교수 공동연구팀이 미국 스탠퍼드대학교, 로런스 버클리 국립연구소와의 국제 공동연구를 통해 연료전지 촉매 내부의 원자 하나하나가 수천 번의 작동 사이클 동안 어떻게 움직이고, 어떤 방식으로 성능이 저하되는지를 3차원으로 직접 추적하는 데 성공했다고 14일 밝혔다.
수소연료전지는 탄소배출이 없는 차세대 친환경 에너지 기술로 주목받고 있다. 그러나 촉매로 사용되는 백금(Pt) 기반 합금은 주행 과정에서 성능이 점차 저하되는 ‘열화 현상’이 발생해 상용화의 걸림돌이 되어 왔다. 열화의 근본 원인을 규명하지 못하면 연료전지 교체 주기가 짧아지고 수소차 가격 인하에도 한계가 있었다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해, 원자 하나하나의 3차원 움직임을 직접 볼 수 있는 인공신경망 기반 원자 전자 단층촬영 기법을 개발했다.
병원에서 사용하는 CT 단층촬영법이 여러 각도에서 X선 영상을 찍어 인체 내부를 3차원으로 보여주는 것과 마찬가지로, 연구팀은 전자현미경을 이용해 다양한 각도에서 고해상도 이미지를 촬영하고, 이를 인공지능 신경망과 결합해 나노 촉매 내부 원자들의 3차원 위치를 정밀하게 재구성했다.
그 결과, 수천 개에 달하는 원자들이 연료전지 작동 과정에서 어떻게 이동하고 변형되는지를 마치 눈으로 들여다보듯 생생하게 관찰할 수 있게 됐다.
연구팀은 백금-니켈(이하 PtNi) 합금 나노입자에 대해 수천 번의 전기화학적 작동을 가한 후, 각 단계에서 촉매 입자의 3차원 원자구조를 분석했다. 그 결과, 일반적인 PtNi 입자에서는 시간이 지남에 따라 입자 형태가 변형되고, 니켈이 빠져나가고, 제 기능을 점차 잃어버리는 현상이 나타났다.
반면 갈륨 원소를 조금 섞어준 촉매 입자에서는 이러한 변화가 거의 없어서 처음부터 성능도 더 뛰어나고, 오래 사용해도 성능을 잘 유지함을 입증했다. 이를 통해 연구팀은 촉매 안에 원자들이 시간이 지나면서 어떻게 변하는지 그리고 그 변화가 성능 저하와 어떤 관계가 있는지를 정량 데이터로 명확하게 규명했다.
양용수 교수는 “이번 연구는 실제 연료전지 촉매의 3차원 열화 과정을 원자 단위에서 정량적으로 추적한 세계 최초 사례로, 실험적으로 관측하기 어려웠던 실제 촉매 표면과 내부의 3차원 원자 구조 변화를 직접 측정했다는 점에서 이론 모델이나 시뮬레이션에 의존했던 기존 연구들과 차별점을 가진다”라고 강조했다.
이어 “고성능·고내구성 연료전지 촉매 설계의 핵심 기반이 될 것이며 또한 AI 기반 정밀 원자구조 분석 기술은 배터리 전극, 메모리 소자 등 다양한 나노소재 연구에도 폭넓게 활용될 것”이라고 전망했다.
이번 연구에는 물리학과 정채화 박사, 이주혁 박사, 조혜성 박사, 신소재공학과 이광호 연구원이 공동 제1저자로 참여했고, 연구 결과는 세계적 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 8월 28일자에 게재됐다.
※ 논문제목: Atomic-scale 3D structural dynamics and functional degradation of Pt alloy nanocatalysts during the oxygen reduction reaction
※DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-63448-5
한편, 이번 연구는 한국연구재단 개인기초연구지원사업 및 KAIST 특이점교수사업의 지원을 받았다.
2025.09.15 조회수 3127 -
암 조직 ‘3D·가상염색’ 혁신기술로 절개 없이 관찰 가능
기존에 암 조직을 얇게 절단하여 염색한 뒤 관찰하던 전통 방식에서 벗어나, 우리 대학과 국제공동연구진이 첨단 광학 기술을 활용해 절개없이 암 조직의 3차원 구조를 인공지능 기반 딥러닝 알고리즘을 접목시켜 실제처럼 가상 염색 영상으로 구현하는 기술을 성공하여 향후 차세대 비침습 병리 진단의 혁신을 기대할 수 있게 됐다.
물리학과 박용근 교수 연구팀이 연세대 강남세브란스병원 신수진 교수팀, 미국 메이오클리닉(Mayo Clinic) 황태현 교수팀, 토모큐브 인공지능 연구팀과의 공동연구를 통해, 별도의 염색 없이도 암 조직의 3차원 구조를 생생하게 보여줄 수 있는 혁신적인 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.
200여년간 사용되어 온 기존 병리학에서는 암 조직을 현미경으로 관찰하던 방식은 3차원으로 이루어진 암 조직의 특정 단면만을 보여주기 때문에, 세포간의 입체적 연결 구조나 공간적 배치를 파악하는데 한계가 있었다.
이에 연구팀은‘홀로토모그래피(Holotomography, HT)’라는 첨단 광학 기술을 활용해 조직의 3차원 굴절률 정보를 측정하고, 여기에 인공지능 기반 딥러닝 알고리즘을 접목시켜 마치 가상의 염색(H&E)* 이미지 생성하는데 성공했다.
* H&E(Hematoxylin & Eosin): 병리 조직을 관찰할 때 가장 널리 사용되는 염색법으로, 세포의 핵은 헤마톡실린(Hematoxylin)으로 파란색, 세포질은 에오신(Eosin)으로 분홍색으로 염색된다.
연구팀은 이 기술이 생성한 영상이 실제 염색된 조직 영상과 매우 유사하다는 점을 정량적으로 입증했으며, 다양한 장기와 조직에서도 일관된 성능을 보여줌으로써 차세대 병리 분석 도구로서의 범용성과 신뢰성을 입증했다.
또한, 토모큐브사의 홀로토모그래피 장비를 활용해 한국과 미국의 병원 및 연구기관과 공동으로 기술 실현 가능성을 검증함으로써, 이 기술이 실제 병리 연구 현장에 본격적으로 도입될 수 있음을 보여주었다.
박용근 교수는 “이번 연구는 병리학의 분석 단위를 2차원에서 3차원으로 확장한 매우 의미 있는 성과”라며, “앞으로 미세 종양 환경 내에서 암 종양의 경계나 주변 변역 세포들의 공간 분포를 분석할 수 있는 등 다양한 생의학 연구와 임상 진단에 널리 활용될 수 있을 것”이라고 전했다.
이번 연구는 박주연 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 참여했으며, 세계적 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 5월 22일자로 온라인 게재되었다.
(논문명: Revealing 3D microanatomical structures of unlabeled thick cancer tissues using holotomography and virtual H&E staining. https://doi.org/10.1038/s41467-025-59820-0)
본 연구는 한국연구재단 리더연구사업, 한국산업기술진흥원의 글로벌산업기술협력센터사업, 보건산업진흥원의 지원을 받았다.
2025.05.26 조회수 5539 -
마그논 3차원 제어 세계 첫 규명- 뉴로모픽·양자기술 게임체인저로
전류없이 자석으로 정보 전달이 가능한 마그논(스핀파)으로 처리하는 마그논 홀 효과는 지금까지 2차원 평면에서만 가능하다고 알려져 있는데 그 한계를 뛰어넘는다면 어떨까? 마그논이 3차원 공간에서 활용가능하다면 입체적 회로 등 자유로운 설계부터 인간의 뇌 정보와 같이 차세대 뉴로모픽(뇌 모사형) 연산 구조 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다. KAIST와 국제공동연구진은 기존에 마그논 개념을 뛰어넘어, 3차원 공간에서도 자유롭고 복잡하게 움직일 수 있다는 3차원 마그논 홀 효과를 세계 최초로 예측했다.
우리 대학 물리학과 김세권 교수가 독일 마인츠 대학의 리카르도 자르주엘라 박사와 공동연구를 통해, 복잡한 자석 구조(쩔쩔맴 자성체, topologically textured frustrated magnets) 내에서 마그논(스핀파)과 솔리톤(스핀들의 소용돌이)의 상호작용이 단순하지 않고 복잡하게 설명된다는 사실을 세계 최초로 밝혀냈다.
전자의 움직임처럼 정보를 전달할 수 있는 마그논(스핀 파동)은 전류를 쓰지 않고 정보를 전달해 열이 나지 않는 차세대 정보 처리 기술로 주목받고 있다. 지금까지의 마그논 연구는 스핀들이 한 방향으로 가지런히 정렬된 단순한 자석에서만 이루어졌고 이를 설명하는 수학도 비교적 단순한 ‘가환(Abelian) 게이지 이론’이었다.
연구팀은 쩔쩔맴 자성체와 같은 복잡한 스핀 구조에서는 마그논이 여러 방향에서 복잡하게 상호작용하고 얽히며 이 움직임은 기존보다 한 차원 높은 수학인 ‘비가환(non-Abelian) 게이지 이론’을 적용했고, 이를 세계 최초로 입증했다.
이번 연구는 향후 마그논을 이용한 저전력 논리소자, 토폴로지 기반 양자 정보 처리 기술 등에 응용될 수 있는 가능성을 제시함으로써 미래 정보기술의 판도를 바꿀 가능성을 보여주고 있다.
기존 선형 자성체에서는 자기 상태를 나타내는 값(질서 변수)이 벡터로 주어지며, 이에 기반한 마그노닉스 연구에서는 마그논이 스커미온과 같은 솔리톤 구조에서 이동할 때, U(1) 가환 게이지장이 유도된다고 해석되어 왔다. 이는 솔리톤과 마그논의 상호작용은 양자전기역학(QED)과 유사한 구조를 가지며, 이를 통해 2차원 자성체에서의 마그논 홀 효과와 같은 여러 실험적 결과를 잘 설명해 왔다.
하지만 연구팀은 이번 연구를 통해, 쩔쩔맴 자성체에서는 질서 변수가 단순한 벡터가 아닌 쿼터니언(quaternion)으로 표현되어야 하고, 그 결과 마그논이 느끼는 게이지장도 단순한 U(1) 가환 게이지장이 아닌 SU(3) 비가환 게이지장이 된다는 점을 이론적으로 최초 규명했다.
이는 곧 쩔쩔맴 자성체 안에는, 기존의 자성체에서 보이던 한두 가지 종류의 마그논이 아닌, 세 가지 종류의 마그논이 존재하며, 이들 각각이 솔리톤과 복잡하게 얿혀 상호작용하게 된다는 뜻이다. 이러한 구조는 전자기 힘을 설명하는 양자전기역학(QED)보다는, 양자색역학(QCD)과 유사한 구조를 갖는다는 점에서 큰 의미를 지닌다.
김세권 교수는 “이번 연구는 쩔쩔맴 자성체의 복잡한 질서 속에서 발생하는 마그논의 동역학을 설명할 수 있는 강력한 이론적 틀을 제시했다”며, “비가환 마그노닉스를 최초로 제시함으로 양자 자성 연구 전반에 영향을 줄 수 있는 개념적 전환점이 될 것”이라고 말했다.
이번 연구 결과는 독일 마인츠대학 리카르도 자르주엘라(Ricardo Zarzuela) 박사가 제 1저자로 물리 분야 세계적인 학술지 `피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)‘에 5월 6일 자로 게재됐다.
※ 논문명 : Non-Abelian Gauge Theory for Magnons in Topologically Textured Frustrated Magnets, Phys. Rev. Lett. 134, 186701 (2025)
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.186701
이번 연구는 한국연구재단 해외우수과학자 유치사업 플러스(브레인 풀 플러스)의 지원을 받아 수행됐다.
2025.05.22 조회수 3948 -
세상에 없던 아이디어, KAIST가 현실로, 자석으로 양자컴퓨팅 기술 구현
세상에 없는 기술을 제안하라는 KAIST 글로벌 특이점 연구사업으로 시작된 ‘자석으로 양자컴퓨팅 기술을 개발한다’는 아이디어가 현실로 실현되었다. KAIST와 국제공동 연구진은 ‘자기 성질을 가진 물질(자성체)’을 활용해 양자컴퓨팅의 핵심 기술을 세계 최초로 실증하는데 성공했다.
우리 대학 물리학과 김갑진 교수 연구팀이 미국 아르곤 국립 연구소(Argonne National Lab.), 일리노이대 어바나-샴페인(Univ. of Illinois Urbana-Champaign, UIUC)와 공동연구를 통해, ‘광자-마그논 하이브리드 칩’을 개발해 자성체에서 다중 펄스 간섭 현상을 실시간으로 구현하는 데 세계 최초로 성공했다.
쉽게 설명하면, 연구팀은 ‘빛’과 ‘자석 내부의 진동(마그논)’이 함께 작동하는 특수한 칩을 개발하여 멀리 떨어진 자석 사이에서 신호(위상 정보)를 전송하고, 여러 개의 신호가 서로 간섭하는 현상을 실시간으로 관측하고 조절하는 데 성공한 것이다.
이는 자석이 양자 연산의 핵심 부품으로 활용될 수 있다는 것을 보여준 세계 최초의 실험으로, 자성체 기반 양자컴퓨팅 플랫폼 개발의 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다.
자석의 N극과 S극은 원자 내부에 존재하는 전자의 스핀(spin)에서 나오게 되는데, 여러 원자가 모였을 때 나타나는 스핀들의 집단적인 진동 상태를 마그논(magnon)이라고 한다.
마그논은 특히, 정보를 한쪽으로만 전달하는 비상호성(nonreciprocity) 특성을 가질 수 있어, 양자 노이즈 차단을 통한 소형 양자 칩 개발에 응용될 수 있고, 광 및 마이크로파와 동시에 결합할 수 있어 양자 정보를 수십 km 거리로 전송하는 양자 통신 소자로도 응용이 가능하다.
또한, 특수한 자석 물질인 반강자성체(antiferromagnet)를 이용하면 양자컴퓨터의 작동 주파수를 훨씬 빠른 속도, THz(테라헤르츠) 대역으로 높여서 현재 양자컴퓨터 하드웨어 한계를 뛰어넘는, 복잡한 냉각 장비 없이도 상온에서 작동하는 양자컴퓨터의 개발이 가능할 수 있다.
그러나, 마그논을 기반으로 한 양자컴퓨팅과 통신 시스템 전반의 구현에 필요한 이 모든 기술을 실현하기 위해서는 마그논 위상 정보, 즉 마그논의 파동이 언제부터 시작되고 움직이는지에 대한 정보를 실시간으로 전송 및 측정하고, 그것을 제어하는 기술이 필수적이었다.
김갑진 교수 연구팀은 작은 자석 구슬인 이트륨 철 가넷(Yttrium Iron Garnet, YIG) 2개를 12 mm 간격으로 배치하고, 그 사이에 구글, IBM 등의 양자컴퓨터에서 사용되는 회로인 초전도 공진기를 설치하여 한쪽 자석에 신호(펄스)를 넣어서 다른 자석까지 정보가 잘 전달되는지를 측정하였다.
그 결과, 수 나노초(ns) 길이의 아주 짧은 하나의 펄스부터 최대 네 개의 마이크로파 펄스를 입력하였을 때 그로 인해 생기는 자석 내부의 진동(마그논)이 초전도 회로를 통해 멀리 있는 다른 자석까지 손실 없이 전달되는 것을 확인하였고, 여러 펄스 사이에 간섭을 일으켰을 때 각각의 위상 정보를 유지하며 신호가 예측대로 보강 또는 상쇄되는 것(결맞음 간섭 현상)을 실시간 도메인에서 관측하는 데 성공했다.
나아가 연구팀은 여러 펄스(신호)의 주파수와 이들 간의 시간 간격을 조절하여 자석 안에 생기는 마그논의 간섭 패턴을 임의로 제어할 수 있음을 입증함으로써, 전기 신호 입력을 통해 마그논의 양자 상태(위상 정보)를 자유롭게 제어할 가능성을 처음으로 입증하였다.
이번 연구는 양자 정보 처리 분야에서 필수적인 여러 개의 신호(다중 펄스)를 활용한 양자 게이트 연산이 자성체-초전도 회로 하이브리드 시스템*에서도 구현될 수 있음을 보여주었다. 이 결과는 자성체 기반 양자 소자가 실질적으로 양자컴퓨팅에 활용될 수 있는 가능성을 열어준다는 점에서 중요한 의미를 가진다.
* 자성체-초전도 회로 하이브리드 시스템: 자성체의 마그논과 초전도 회로를 결합해, 서로의 장점을 살린 새로운 양자 연산 시스템
김갑진 교수는“이번 연구는‘세상에 없는 기술을 제안하라’는 KAIST 글로벌 특이점 연구사업에‘자석으로 양자컴퓨터를 개발할 수 있을까?’라는 다소 엉뚱하지만 모험적인 아이디어를 제안하며 시작되었다”며
“그 여정 자체가 매우 흥미로웠으며, 특히 이번 연구 결과는 양자 스핀트로닉스(quantum spintronics)라는 새로운 연구 분야의 가능성을 열었을 뿐만 아니라, 고효율 양자정보 처리 장치 개발을 위한 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다”라고 말했다.
물리학과 송무준 박사후연구원이 제1 저자로 참여하고 미국 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)의 이 리(Yi Li) 박사, 발렌틴 노보사드(Valentine Novosad) 박사, 일리노이 주립대학교(University of Illinois Urbana-Champaign, UIUC)의 악셀 호프만(Axel Hoffmann) 교수 연구팀이 참여한 이번 연구는 네이처 출판 그룹이 출간하는 국제 학술지 ‘엔피제이 스핀트로닉스(npj spintronics)’와 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 4월 1일, 4월 17일에 연이어 출판되었다.
※ 논문명 1: Single-shot magnon interference in a magnon-superconducting-resonator hybrid circuit, Nat. Commun. 16, 3649 (2025), DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58482-2
※ 논문명 2: Single-shot electrical detection of short-wavelength magnon pulse transmission in a magnonic ultra-thin-film waveguide, npj Spintronics 3, 12 (2025),
DOI: https://doi.org/10.1038/s44306-025-00072-5
이번 연구는 KAIST 글로벌특이점연구사업과 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구, 선도연구센터, 양자정보과학인적기반 조성사업 및 미국 에너지부의 지원을 받아 수행됐다.
2025.05.07 조회수 7043 -
세계 최초 초저잡음 중적외선 광원을 초소형 칩 상에서 구현
브릴루앙 레이저(Brillouin laser)는 물질 내 빛과 음파의 상호작용을 통해 매우 안정적이고 잡음이 적은 레이저 빛을 만들어 내는 광원이다. 그동안 이 기술은 가시광선이나 근적외선 영역에서만 구현되었으며, 중적외선 영역에서는 기술 부족으로 구현이 어려웠다. 국제 공동 연구진이 초소형 저잡음 브릴루앙 레이저를 해당 파장 영역에서 세계 최초 개발하여 더욱 정밀한 분자물리·화학 연구 및 다양한 차세대 응용 기술의 기반을 마련하였다.
우리 대학 물리학과 이한석 교수 연구팀이 호주국립대 최덕용 교수, 예일대 피터 라키치 교수, 한국원자력연구원 고광훈 박사, 닝보대학교 롱핑 왕 교수 연구팀과 국제공동연구를 통해 중적외선 파장 대역에서 주파수 흔들림이 매우 작은 브릴루앙 레이저를 초소형 반도체 칩 위에 최초로 구현하는 데 성공했다고 31일 밝혔다.
칩 상에서 저잡음 브릴루앙 레이저를 구현하는 기술은 이미 잘 알려져 있었으나, 중적외선 파장 대역에서는 레이저 구현에 필수적인 낮은 광 손실의 고성능 광소자가 없다는 점이 문제였다.
일반 산화규소 유리와 같이 가시광선과 근적외선에서 투명해 광소자 제작에 사용되었던 많은 물질이 중적외선 파장에서는 빛을 강하게 흡수해 이용 불가하고, 중적외선의 특징인 빛과 분자 사이 강한 상호작용으로 인해 여러 광 손실이 추가 발생해 고성능 광소자를 제작하기 어려웠다.
연구팀은 중적외선에서 높은 투과도를 보이지만 가공이 까다로운 칼코겐화합물 유리를 독창적인 기법으로 성형해 초고품질 광공진기를 제작하는데 성공했다. 또한, 중적외선 광소자에 고유한 표면 흡착 분자에 의한 광손실을 정량분석하고 억제하는 기술을 최초로 구현해 중적외선 파장 광 손실이 기존 세계기록 대비 30분의 1에 불과한 고성능 광소자 칩을 개발할 수 있었다.
브릴루앙 레이저의 발진을 위해 필요한 최소 동작 전력은 광 손실의 제곱에 비례해 줄어들기에, 해당 광소자를 이용해 기존보다 최소 동작 전력을 1,000배 이상 낮춰 최초로 중적외선 파장에서 해당 현상을 구현할 수 있었다.
중적외선 대역에 상용화된 광파라메트릭 레이저(optical parametric oscillator laser)나 양자폭포레이저(quantum cascade laser)는 주파수 선폭이 1 메가헤르츠(MHz)가량으로 넓어 이를 이용한 분석 정밀도에 한계가 있었는데, 개발된 레이저 소자는 이보다 만분의 일 정도 작은 선폭의 고순도 중적외선광을 생성할 수 있다.
공동연구팀 관계자는 중적외선 파장 대역의 소형 저잡음 레이저 개발이 분자 과학의 응용범위를 넓히고 정밀도를 개선하기 위한 필수적 요소라고 언급하며, 이를 분자의 특성을 더욱 세밀하게 분석하거나 빛을 이용해 화학 반응을 정밀하게 제어하는 등에 활용할 수 있을 것으로 기대했다.
연구를 주도한 교신저자 물리학과 이한석 교수는 "개발된 레이저 소자를 현재 활발하게 연구되고 있는 칩 크기 양자폭포레이저 및 중적외선 광검출기와 결합한다면 화학, 생물학 및 재료학에 사용되는 거대한 중적외선 측정 장비들을 획기적으로 소형화해 좀 더 다양한 분야에 활용할 수 있을 것ˮ이라 내다봤다.
또 다른 교신저자인 최덕용 교수는 “칼코겐화합물 유리가 뛰어난 중적외선 광학 특성에도 불구하고 가공이 어려워 칩 상에서 널리 사용되지 않았는데, 본 연구에서 이를 이용한 고성능 광소자를 실증함으로써 본격적으로 많은 중적외선 연구에 사용될 수 있을 것”이라고 평했다.
물리학과 고기영 박사과정 학생과 석대원 박사과정 학생(현재 박사후연구원)이 공동 제1 저자로 참여한 공동연구팀의 이번 논문은 국제학술지 `네이쳐 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 지난 3월 19자로 게재됐다. (논문명: A mid-infrared Brillouin laser using ultra-high-Q on-chip resonators, DOI: 10.1038/s41467-025-58010-2)
한편 이번 연구는 삼성미래기술육성사업, 정보통신기획평가원 (IITP), 그리고 한국연구재단 (NRF)의 지속적인 지원을 받아 수행됐다.
2025.03.31 조회수 5984 -
췌장 등 생체조직 고해상도 홀로토모그래피 성공
기존 광학 기술은 두꺼운 생체 조직을 관찰할 때, 조직 내부에서 발생하는 빛의 산란으로 인해 광학적 수차(aberration)가 생기고, 이로 인해 영상 품질이 저하되는 한계가 있었다. 우리 연구진이 디지털 수차 보정 기술을 개발하여 두꺼운 생체 조직의 3차원 영상을 정밀하게 관찰할 수 있는 기술을 개발했다.
우리 대학 물리학과 박용근 교수 연구팀이 별도의 염색 없이 두꺼운 생체 조직의 3차원 영상을 고해상도로 관찰할 수 있는 디지털 수차 보정 기술을 개발했다고 5일 밝혔다.
연구팀은 광학적 메모리 효과(optical memory effect)*를 활용해 두꺼운 생체 조직을 실시간으로 고해상도로 관찰하는 기술을 개발했다. 이 기술은 기존 적응형 광학(adaptive optics) 기술보다 더욱 강력한 보정 효과를 제공하여, 생체 조직 내부의 구조를 보다 선명하게 포착할 수 있다.
☞광학적 메모리 효과: 빛이 기울어질 때, 산란된 빛도 함께 기울어지는 현상으로, 생체 조직과 같은 복잡한 산란 매질에서도 관찰 가능함.
새롭게 개발된 기법을 적용한 결과, 연구진은 생체 조직 내부의 세포 구조를 더욱 세밀하게 관찰할 수 있었으며, 마이크로미터 크기의 시료에서 발생하는 동적 변화를 실시간으로 포착하는 데 성공했다.
이번 연구는 조직 병리학, 신약 개발, 생물학 연구 등 다양한 분야에서 활용될 수 있는 새로운 이미징 기술을 제시했으며, 기존 기술이 극복하지 못한 심층 조직 이미징의 한계를 뛰어넘는 성과로 평가괸다. 이를 통해 생명과학 및 의료 분야에서 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
박용근 교수는 “이번 연구는 기존 이미징 기술의 한계를 극복하는 새로운 접근 방식으로, 홀로토모그래피 기반 비침습적 생체 이미징 및 진단 연구에 큰 영향을 미칠 것이다. 앞으로는 생체 조직의 더욱 정밀한 3차원 이미징을 통해 세포 수준에서의 다양한 생명현상을 이해하는 연구를 지속할 계획”이라고 말했다.
물리학과 오철민 석박사통합과정 학생이 제1 저자인 이번 연구 결과는 지난 2월 17일 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)’에 온라인 게재됐으며, 해당 기술은 다양한 생명과학 분야에서의 적용 가능성을 인정받고 있다.
(논문명: Digital aberration correction for enhanced thick tissue imaging exploiting aberration matrix and tilt-tilt correlation from the optical memory effect) DOI: 10.1038/s41467-025-56865-z
이번 연구는 한국연구재단 리더연구사업 및 한국산업기술진흥원 글로벌산업기술협력센터사업의 지원을 받아 수행됐다.
2025.03.05 조회수 5955 -
양자 컴퓨터 오류정정에 필요한 양자얽힘 구현
양자 컴퓨팅은 고전 컴퓨터로는 계산하기 어려운 문제를 효율적으로 해결할 수 있는 양자 기술이다. 양자 컴퓨터가 복잡한 연산을 정확히 수행하려면 연산 과정에서 발생하는 양자 오류를 정정하는 것이 필수적이다. 하지만 이에 필요한 양자얽힘 상태를 구현하는 것은 매우 큰 난관으로 여겨져 왔다.
우리 대학 물리학과 라영식 교수 연구팀이 양자오류 정정 기술의 핵심이 되는 3차원 클러스터 양자얽힘 상태를 실험으로 구현하는데 성공했다고 25일 밝혔다.
측정기반 양자 컴퓨팅은 특수한 양자얽힘 구조를 가진 클러스터 상태를 측정하여 양자 연산을 구현하는 새로운 패러다임의 양자 컴퓨팅 방식이다. 이러한 방식의 핵심은 클러스터 양자얽힘 상태의 제작에 있으며, 범용 양자컴퓨팅을 위해 2차원 구조의 클러스터 상태가 사용된다.
하지만 양자연산에서 발생하는 양자오류를 정정할 수 있는 결함 허용 양자컴퓨팅(Fault-Tolerant Quantum Computing)으로 발전하려면 더욱 복잡한 3차원 구조의 클러스터 상태가 필요하다.
기존 연구에서는 2차원 클러스터 상태 제작이 보고됐지만, 결함 허용 양자컴퓨팅에 필요한 3차원 클러스터 상태는 양자얽힘의 구조가 매우 복잡해 그동안 실험 구현이 이뤄지지 못했다.
연구팀은 펨토초 시간-주파수 모드를 제어하여 양자얽힘을 구현하는 기술을 개발함으로써 3차원 구조의 클러스터 양자얽힘 상태를 생성하는 데 최초로 성공했다.
펨토초 레이저는 극도로 짧은 시간 동안 강한 빛 펄스를 방출하는 장치로, 연구팀은 비선형 결정에 펨토초 레이저를 입사시켜 여러 주파수 모드에서 양자 광원을 동시에 생성하고, 이를 활용하여 3차원 구조의 클러스터 양자얽힘을 생성했다.
라영식 교수는 "이번 연구는 기존 기술로는 구현하기 어려웠던 3차원 클러스터 양자얽힘 상태 제작에 성공한 최초의 사례”라며, “향후 측정 기반 양자컴퓨팅 및 결함 허용 양자컴퓨팅 연구에 있어 중요한 발판이 될 것”이라고 말했다.
물리학과 노찬 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 참여하고 곽근희, 윤영도 석박사통합과정 학생이 공동 저자로 참여한 이번 연구는 저명 국제 학술지 `네이처 포토닉스(Nature Photonics)'에 2025년 2월 24일 온라인판으로 정식 출판됐다. (논문명: Generation of three-dimensional cluster entangled state, DOI: 10.1038/s41566-025-01631-2)
한편 이번 연구는 한국연구재단 (양자컴퓨팅 기술개발사업, 중견연구자 지원사업, 소재혁신 양자시뮬레이터 개발사업)과 정보통신기획평가원 (양자인터넷 핵심원천기술 사업, 대학ICT연구센터지원사업) 및 미국 공군연구소의 지원을 받아 수행됐다.
2025.02.25 조회수 7314 -
암흑 물질 액시온 탐색 가능성 획기적 높여
암흑 물질이란 질량은 있으나 관측이 불가능한 미지의 물질을 말하며, 우주 전체 에너지의 약 27% 정도를 차지하고 있다. 암흑 물질을 연구하는 주된 이유는 우주의 구조와 진화의 비밀을 밝히고 이를 통해 우주의 형성과 모습을 이해하고자 함이다. 한국 연구진이 암흑 물질 후보로 알려진 액시온의 탐색 효율을 크게 향상시킬 고주파 공진기 튜닝 기술을 개발했다.
우리 대학 물리학과 야니스 세메르치디스 교수 연구팀이 기초과학연구원(IBS)(원장 노도영) 산하 액시온 및 극한상호작용 연구단(이하 CAPP)(단장 야니스 세메르치디스)과 협력해 메타물질*을 이용, 암흑 물질인 액시온의 탐색 범위를 효율적으로 확장할 방법을 구현했다고 25일 밝혔다.
*메타물질: 아직 자연에서 발견되지 않은 특성을 갖도록 인공적으로 설계한 물질을 말함.
암흑물질의 존재와 더불어 또 다른 미스터리는 ‘오늘날 우주가 왜 물질로만 이루어져 있는가?’라는 점이다. 초기 우주에서는 물질과 반물질이 거의 같은 양으로 생성되었을 것이라 추정하고 있다. 따라서, 현재의 우주에 대해, 입자물리학에서는 물질이 반물질보다 압도적으로 우세한 이런 물질-반물질의 불균형을 CP*라고 불리는 대칭성의 깨짐으로 설명하려고 한다. *CP: 전하(Charge)와 공간 반전(Parity)
액시온은 강한 상호작용에서 발생하는 이 특정 대칭 불균형과 관련된 문제, 즉 대칭성이 깨져있을 거라는 이론적 예측과 이 대칭성이 보존되는 것처럼 보인다는 실험적 관측 사이의 차이를 해결해 줄 수 있는 가상의 입자이다. 즉, 액시온 입자의 존재는 우주의 물질-반물질 불균형과 암흑물질이라는 두 가지 근본적인 미스터리를 동시에 해결할 열쇠가 될 수 있다.
암흑 물질 액시온은 그 고유한 진동 주파수에 맞는 공진기를 통해 탐색할 수 있으며, 최근 암흑 물질 액시온의 질량을 예측하려는 이론적 연구들에 따르면, 현재 민감한 실험들이 다루고 있는 영역보다 더 높은 주파수대에서 탐색이 필요하다는 전망이 제기되고 있다.
이에 따라 고주파 탐색의 필요성이 대두되면서 다양한 공진기 개발이 이뤄졌고 고주파 액시온 탐색에서 높은 효율을 기대할 수 있게 됐지만, 고차 공명 모드를 효과적으로 튜닝할 방법은 여전히 부족한 상황이다.
이에 연구팀은 음팽창 메타물질 구조를 활용해 회전 운동을 2차원 팽창 및 수축 운동으로 전환하는 새로운 튜닝 메커니즘을 개발했다. 키리가미(kirigami)라는 종이접기/자르기 방식에서 영감을 얻은 음팽창 메타물질 구조체는 특유의 결합 배열 덕분에, 한쪽 면에 팽창·수축하는 힘이 가해질 때 다른 면도 함께 팽창·수축하는 특성을 갖는다.
이러한 성질을 이용하면 구조체의 중심이 회전할 때 전체 구조가 팽창하거나 수축하는 움직임으로 변환된다. 이를 통해 간단한 1차원 회전 움직임을 더 복잡한 2차원 움직임으로 확장할 수 있는 혁신적인 구조가 만들어진다.
또한 저온 환경에서 음팽창 구조체의 효율적인 움직임을 위해 기어 구조를 도입해 힘을 보강했다. 이를 통해 극저온 환경에서도 최소한의 힘과 열 발생으로 구조체를 효과적으로 구동하며 주파수를 조정할 수 있었다.
연구팀은 육각 음팽창 구조를 유전체 튜닝 구조체로 고려하고, 이를 공진기의 적용해 주파수를 효과적으로 조정할 수 있음을 확인했다. 나아가 이 공진기를 극저온으로 냉각한 상태에서 9T(테슬라, 자기장의 강도를 나타내는 단위, 1T는 지구 자기장의 약 2만 배) 자기장을 인가해 실제 액시온 검출 실험을 수행했고, 기존 민감도를 두 배로 향상하는 성과를 거뒀다.
연구팀이 개발한 이 독특한 구조체는 극저온과 강한 자기장 환경에서도 작동 가능한 메타물질 기반 주파수 조정 장치로, 향후 고주파 영역의 암흑 물질 액시온 탐색에 적극 활용될 것으로 기대된다. 또한, 이 시스템은 극한의 저온·고자기장 환경에서 로보틱스 분야로도 확장될 잠재력을 가지고 있다.
제1 저자인 KAIST 배성재 박사과정 학생은 “이 결과는 고차 공명모드를 실용적으로 활용할 수 있는 튜닝 메커니즘의 입증을 통해 고주파 액시온 탐색에 새로운 방향을 제시한 것”이라고 밝혔으며, 공동 제1 저자인 IBS 정준우 박사후 연구원은 “궁극적으로 액시온 암흑 물질의 비밀을 풀기 위해 보다 포괄적이고 효과적인 탐색 전략의 돌파구를 마련했다”라고 덧붙였다.
물리학과 배성재 박사과정과 IBS-CAPP 정준우 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 11월 22일 133호에 게재됐다. (논문명 : Search for Dark Matter Axions with Tunable TM020 mode)
한편 이번 연구는 기초과학연구원의 지원을 받아 수행됐다.
2024.11.25 조회수 5910