산업 IT

[이달의 과학기술인상] 양자기술 새 플랫폼 구축…1,000배 빠른 반도체 상용화 길 터

■ 최현용 연세대 전기전자공학부 교수

펨토초 레이저 활용해 빛·전압만으로 스핀·밸리 제어

연구물질 수준 높여 10년 뒤엔 원천기술 추가 확보

전력소모 줄이면서 고용량·양자 정보처리 가능해져

최현용 연세대 전기전자공학부 교수가 실험실에서 연구원들과 양자 정보 변환 소자 기술에 관한 의견을 주고받고 있다. /사진=한국연구재단최현용 연세대 전기전자공학부 교수가 실험실에서 연구원들과 양자 정보 변환 소자 기술에 관한 의견을 주고받고 있다. /사진=한국연구재단



“알베르트 아인슈타인의 특수상대성이론에 따르면 ‘빛보다 빠른 것은 없다’고 하잖아요. 제 연구 동기이기도 한데 빛의 속도로 정보를 조절하고 제어할 수 있으면 언젠가는 빛의 속도로 동작하는 소자도 만들 수 있지 않을까요.”

과학기술정보통신부가 주최하고 한국연구재단과 서울경제신문이 공동주관하는 ‘이달의 과학기술인상’ 3월 수상자인 최현용(42·사진) 연세대 전기전자공학부 교수는 “양자역학 상태인 스핀과 밸리를 빛을 이용해 빛의 속도로 제어하면 지수함수적으로 급증하는 정보를 굉장히 빠르게 조절할 수 있다”며 이같이 설명했다. 고전적 정보처리 방법인 0과 1의 비트를 조절하는 것에서 나아가 2차원 판데르발스 양자 물질 플랫폼에 관한 연구를 통해 정보를 초고속으로 전달하고 제어하는 기술을 개발하겠다는 것이다.

‘펨토초 레이저(10-15s초)를 이용한 양자 정보 변환 소자 기술’을 연구하는 최 교수는 “현재는 실험실 단계에서 기술을 구현해 상용화를 논할 단계가 아니다”라고 선을 그으면서도 중장기적으로 상업화 가능성에 대한 기대감을 내비쳤다. “제 기초연구가 확대돼 상용화된다면 현재 반도체 소자에 쓰이는 나노초(1ns=10-9s) 소자와는 비교가 되지 않을 정도로 빨라질 것입니다. 10년 이상 지나면 컴퓨터나 휴대폰이 1,000배 정도는 빨라질 수 있는 양자 정보처리 소자가 개발될 수 있죠.” 그는 스핀과 밸리 두 개 큐빗의 양자 정보를 변환할 수 있는 이종접합 양자 소자를 제작하고 세계 최초로 이를 검출했다는 평가를 받는다. 특히 상온에서 빛과 전압만을 이용해 스핀과 밸리 정보를 제어해 정보 소자의 패러다임을 바꿀 수 있는 새로운 소자 플랫폼을 구축한 것이다.


양자역학에서 전자는 전하뿐 아니라 스핀·밸리 자유도 등의 다양한 정보를 담을 수 있다. 전까지 모든 반도체 소자에서는 전하 정보만을 활용했는데 소자 집적도가 높아지면서 전자산업도 발전해왔다. 하지만 소자를 더 작게 만드는 것이 한계에 부딪히면서 스핀과 밸리 같은 다중 자유도를 정보의 기본 단위로 활용해 현재 전자 산업이 갖는 여러 문제를 해결하려는 시도가 이뤄지고 있다.

관련기사



최 교수는 “양자 중첩과 양자 얽힘으로 큐빗을 연구한다는 관점에서 기존의 양자 기술과 비슷할 수 있지만 제 연구는 기존의 양자 기술과 달리 저차원 물질을 이용한 광학에 가깝다”며 “흥미롭게도 밸리 큐빗은 스핀 큐빗과 양자 얽힘 상태로 존재한다. 현재까지 잘 알려진 양자 기술의 큐빗과는 다른 연구 분야”라고 전했다. 밸리와 스핀이 매우 강한 양자 얽힘 상태로 존재하는데 각각의 밸리와 스핀 큐빗을 독립적으로 측정하는 방법은 지금까지 보고된 바가 없다는 것이다. 최 교수팀은 서로 다른 성질을 갖는 3개의 2차원 판데르발스 물질을 접합해 밸리와 스핀을 독립적으로 측정했고 그 상태를 빛과 전압을 통해 효과적으로 조절할 수 있다는 것을 증명했다. 최 교수는 “기존 큐빗과는 다른 새로운 큐빗에 대한 연구를 했고 큐빗끼리의 정보 변환이 손쉽게 이뤄질 수 있음을 밝혀내 양자 정보처리 연구 분야에서 전혀 새로운 접근 방법을 제시했다”고 소개했다. 지난해 네이처 나노테크놀로지에 그의 논문이 실린 것도 이 때문이다.

최현용 연세대 교수팀은 3종 접합 소자를 제작해 양자 정보 상태의 기본 단위인 스핀-밸리 큐빗을 상온에서 제어하고 원하는 큐빗 양자 정보를 손쉽게 변환할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다. /사진=네이처 나노테크놀로지최현용 연세대 교수팀은 3종 접합 소자를 제작해 양자 정보 상태의 기본 단위인 스핀-밸리 큐빗을 상온에서 제어하고 원하는 큐빗 양자 정보를 손쉽게 변환할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다. /사진=네이처 나노테크놀로지


최 교수팀은 상온에서 밸리-스핀 정보 변환을 확인하기 위해 차세대 광응용 소재로 각광받는 텅스텐셀레늄(WSe2)과 위상절연체(Bi2Se3)를 단층 그래핀으로 매개해 연결한 이종접합 소자를 설계했다. 전이금속 디칼코게나이드 물질군에 속하는 텅스텐셀레늄은 차세대 광양자 정보 소재로 주목받는데 연구팀은 광전류 실험으로 밸리-스핀 변환을 상온에서 직접 측정하는 데 성공했다. 그는 “미국·유럽에서는 전이금속이나 위상절연체로 굉장히 많은 복합 소자를 만들고 있지만 국내에서는 연구하는 사람이 많지 않다”며 “현재 연구하는 물질 자체가 몇 년 안 됐는데 퀄리티가 좋지는 않은 상황이라 수준을 높여야 한다”고 설명했다.

장기적으로 그의 연구가 상용화되면 연산의 집적도를 획기적으로 높이면서도 전력 소모를 줄일 수 있고 고용량 정보처리와 양자 정보처리 등 차세대 정보 소자에 광범위하게 적용할 수 있다. 최 교수는 “이번 연구는 밸리-스핀 큐빗이라는 새로운 양자 정보 단위의 응용 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다”며 “앞으로 양자기술을 적용해 고용량 정보처리 기술 플랫폼을 구축할 수 있는 후속 연구를 진행하겠다”고 말했다. 그는 국내 특허는 등록 완료했고 해외는 출원 중이다. 다만 산업화가 피부에 와 닿고 중요하기는 하지만 당장은 원천기술을 좀 더 확보하는 데 치중하겠다는 것이 그의 계획이다. 그는 “고품질의 물질을 만들어야 하고 지금은 실험실 수준에서 빠르게 측정할 수 있지만 일상적으로 굉장히 빨리하게 만드는 데는 10년 이상 걸릴 것”이라고 덧붙였다.

/고광본선임기자 kbgo@sedaily.com

고광본 기자
<저작권자 ⓒ 서울경제, 무단 전재 및 재배포 금지>




더보기
더보기





top버튼
팝업창 닫기
글자크기 설정
팝업창 닫기
공유하기