기초과학연구원,꿈의 AI 컴퓨터 ,삼진법소자 가능한,솔리톤입자발견

[그림 1] 삼진법 솔리톤과 개별 솔리톤의 생성

기초과학연구원 원자제어 저차원 전자계 연구단은 실리콘 기판에 형성시킨 단원자폭의 실리콘 원자도선에서 삼진법 정보(0, 1, 2)를 가지고 이동하는 새로운 솔리톤 입자를 세계 최초로 발견했다. 
기존에 비해 월등히 많은 정보를 에너지 손실 없이 처리할 수 있어 인공지능 컴퓨터 구현에 한 걸음 가까이 다가갈 수 있을 것으로 전망된다.

좀더 신속하고 정확하게 정보를 처리하는 인공지능(AI) 컴퓨터 기술은 현재 전 세계 과학계이 중요한 과제 중 하나로 꼽힌다. 그런 가운데 이른바 3진법(0, 1, 2)으로 에너지 손실없이 이동하는 솔리톤 입자가 국내에서 발견되어, 이를 활용한 인공지능 컴퓨터 구현의 가능성이 한층 높아졌다

 솔리톤 입자는 저항 없이 정보를 잃어버리지 않고 안전하게 전달할 수 있는 입자로 대형 지진으로 수천 km를 이동하는 쯔나미도 물리적으로는 솔리톤 현상으로 이해된다.
​
2013년 염한웅 연구단장은 전하를 가지고 이동하는 단일 솔리톤입자를 최초로 관측했다. 이어 솔리톤입자가 4진법정보(0, 1, 2, 3)를 가지는 것을 증명하고 4진법 연산을 실제 측정하여 솔리토닉스라는 새로운 다진법 정보처리 패러다임을 제시했다.
  
출처 2021.12 기초과학연구원

이전에 발견된 솔리톤과는 달리 이번 연구에서는 2/3과 4/3 분수값 전하를 가지는 새로운 솔리톤입자를 발견했다. 

연구진은 반도체소자에 가장 광범위하게 쓰이는 실리콘 기판에 금원자를 증착하여 원자 한 개 폭인 실리콘 원자선 배열을 만들었다. 

영하 100도 이하에서 실리콘 원자선이 찌그러지며 나타나는 특이한 구조가 솔리톤 입자 생성조건에 적합하다고 판단하고 실험을 수차례 반복해 새로운 솔리톤 입자를 발견했다.

                                    
본 연구는 10년 이상 실험조건을 바꾸며 관측을 거듭한 끝에 결실을 맺었다는 점에서 의미가 큽니다. 2003년 연구진은 일차원적 원자배열을 가지는 금속의 구조가 주기적으로 찌그러져 반도체가 될 때 솔리톤입자가 발생한다는 것을 이론적으로 예측했다. 

이후 연구진이 만든 실리콘 원자선이 실온에서 금속적인 성질을 가지다 저온에서 찌그러지며 반도체로 바뀌는 실리콘 원자선의 상전이 현상을 발견했다. 앞선 연구를 기반으로 면밀한 이론적 검토 끝에 삼진법 소자를 가진 솔리톤입자 존재를 확인했다.

이번에 발견한 솔리톤입자는 약 영하 170도의 저온에서부터 자유롭게 빠른 속도로 움직여 삼진법 정보로 빠르게 전달할 수 있다. 또한 솔리톤입자 고유의 특성 상 주변의 전자들이나 다른 솔리톤입자와의 충돌로 정보가 소멸되지 않아 전기적 저항이 없는 정보 전달체가 될 수 있다.
                       
이러한 성질을 활용하면 실리콘 기판을 사용한 솔리톤 입자에 삼진법 정보를 저장하고 저항이나 발열로 소모되는 에너지 없이 전달하는 꿈의 소자와 컴퓨터를 구현이 가능하다. 이미 오래전부터 삼진법에 기반한 컴퓨터의 기본 원리가 확립되어 있어 실제 전자소자 개발에 응용될 수 있다.

교신저자 염한웅 단장은 “물리학계에서 보기 드물게 세계적으로 주목받는 새로운 소자의 발견과 실용화의 방향성을 동시에 제시한 성과”라고 언급했다.
​
이번 연구는 세계적인 학술지인 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 12월 23일자로 게재됐다.

 

===양자정보통신 

20세기 초 양자역학의 탄생은 자연의 본질에 대한 그 당시 합리적이고 고정적인 관념을 물질과 파동의 이중성에 기초하는 확률적인, 그러나 고전적 관념으로는 좀처럼 이해하기 힘든, 것으로 바꾸어 놓았다. 이를테면 빛이나 전자는 관측자에 따라 알갱이나 아니면 파동으로 보인다는 것인데 이러한 전자기파의 이중성에 대한 이해는 물리학, 화학, 전자공학 등 20세기 과학기술문명을 통하여 우리의 사고방식뿐만 아니라 자연에 대한 이해를 혁신적으로 바꾸는데 기여했다. 최근 양자역학의 발전은 소위 IT나 NT로 지칭되는 현대과학문명의 꽃으로 연결되는데, 이러한 과학기술문명의 발전은 자연의 본질에 대한 수동적 이해에서 탈피하여 자연을 인위적으로 바꾸어 생활에 응용하려는 능동적인 창의적활동의 결과이며, 이는 21세기 양자과학/양자공학의 서막을 여는 계기가 된다. 아직은 생소하게 들릴지도 모르는 양자과학 혹은 양자공학이란, 지금까지의 과학기술문명이 주로 고전역학이라는 틀 안에서 이해되었듯, 앞으로의 과학문명은 양자역학이라는 새로운 틀에 기초하게 됨을 의미하며, 무엇보다도 실용성과 고전문명과 비교하여 탁월한 우월성을 기반으로 하는 아직은 도래하지 않은 차세대 과학기술문명을 뜻한다. 양자역학에는 고전역학에서는 이해될 수 없는 많은 새로운 현상이 있는데 예를 들면, 운동하는 물체의 위치와 속도를 동시에 정확하게 측정할 수 없다는 불확정성 원리, 두개의 확연히 구별되는 상태가 서로 겹쳐 새로운 상태를 나타내는 중첩 (superposition), 막힌 벽을 통과하는 터널링 (tunneling), 비국소성에 기초하는 얽힘 (entanglement)등이다. 이중 중첩과 양자얽힘 (quantum entanglement)은 20세기 초에 탄생한 양자역학을 양자과학의 궤도에 올려놓는 가장 중요한 개념이 되는데, 그 적용은 1990년대 중반에 와서야 비로서 가능하게 되었다. 

양자얽힘은 1935년 쉬뢰딩거에 의해 처음으로 양자물리의 특이한 성질을 설명하기 위해 도입되었다.[1] 동시에 아인슈타인, 포돌스키, 로젠은 (EPR)은 양자얽힘에 대한 구체적인 예를 제시했다.[8] 여기서 EPR의 논문 목적은 실재성(reality)과 국소성(locality)의 고전 관념이 양자역학에 적용될 수 없다는 이유로 양자역학의 불완전성을 논박하기 위한 것이었으나, 1964년 벨은 '벨 부등식 정리'를 통해 EPR 논쟁의 근간이었던 양자역학의 불완전성을 검증하는 도구를 제공했다.[9] 이는 공간적으로 멀리 떨어져 있는 두 물리계간의 초광속적인 정보전달에 대한 가능성을 보여주게 되는 것으로 국소성(locality)에 대한 고전역학의 원리가 더 이상 양자세계에서는 성립할 수 없음을 뜻한다. 양자세계에서의 비국소성을 증명하는 벨 부등식은 1980년을 전후로 실험적으로도 성공하게 되어 비로소 EPR논쟁에 종지부를 찍게된다.[10-12] 1984년, 미국의 물리학자 파인만은 양자 중첩을 이용하여 거대한 양자병렬 연산을 할 수 있다고 발표하였고, 그 다음해 영국의 물리학자 데이비드 도이치는 양자역학을 이용한 전산장치를 통해 양자전산시늉을 할 수 있다는 논문을 발표함으로써 비로소 고전역학에 대한 양자과학의 우월성을 확보하는 근간을 마련하게 된다.[13]

1990년대로 들어와서 양자과학은 다음의 두가지 중요한 사건으로 비약적인 발전을 하게 되는데, 첫째는 양자얽힘을 보안통신에 사용할 수 있다는 것이고, [14] 둘째는 특별한 계산방법 즉, 소인수분해에 있어서 고전컴퓨터에 비해 기하급수적인 시간단축을 이룰 수 있다는 것이다.[15] 여기서 소인수분해방식은 현재 공개키 암호방식에 이용되고 있는 근간으로 숫자가 커질수록 풀기 위한 시간이 오래걸린다는데 즉 암호해독이 어렵다는데 그 실용적인 이유가 있으므로 양자컴퓨터의 개발은 곧 국가/산업/개인의 정보가 더 이상 안전할 수 없음을 의미한다. 다른 우월성으로는 데이터베이스 검색에서 양자얽힘을 이용하면 고전방식에 비해 제곱근만큼 검색시간을 단축할 수 있다는 점이 제시되었다. [16] 

양자 정보는 양자 암호, 양자 계량법, 양자 전송, 양자 전산을 두루 포함하는 연구 분야로 수학, 물리, 전산, 전자 등 여러 학문의 복합체이다. 최근 이분야에는 양자 얽힘의 purification [17], 가우스 상태를 이용한 양자암호 전송 [18], 도이치-조사 (Deutsch-Josza)알고리즘의 실현[19] 등의 실험적 업적이 잇따라 발표되고 있다. 양자 전산의 기본이 되는 게이트인 controlled-NOT 게이트도 최근 실험적으로 증명되었다 [20]. 여기에서 도이치-조사 알고리즘은 영국의 유명 시사주간지인 The Economist(2003년 1월 2일)에서도 앞으로 컴퓨터 혁명을 기대할 수 있는 시작점으로 크게 다른바 있다. 미국은 지난 6년간 양자정보 분야의 연구 예산을 20배 이상 키워 왔고 2002년 현재 약 1억 5천만 달러 가량을 양자정보연구에 투자 하고 있다.

지금까지 양자전산의 기본이 되는 양자얽힘 또는 양자게이트의 증명은 포획된 이온(trapped ions), 양자화된 빛(cavity QED), NMR 등에서 부분적으로 보였다. 그러나 양자컴퓨터나 양자정보처리장치를 구현하기 위해서는 수십~수백개의 큐빗을 정확하게 양자통제할 수 있는 양자얽힘의 확장이 무엇보다도 가능해야 한다. 하지만 위에서 언급한 여러 종류의 양자컴퓨터 장치들은 아직 10개에도 못 미치는 낮은 단위의 확장성에 그쳐 실용화가 매우 요원한 실정이다. 이러므로 양자컴퓨터를 비롯한 양자정보처리 연구에 있어서는 우선 고려되어야 할 사항이 양자얽힘의 확장성 여부와 외부환경과의 단절성 여부이다. 외부환경과의 단절성은 결맞음상실(decoherence)로 표현되는데 그 중요성은 양자상태 결맞음을 유지하는 동안에만 연산처리를 할 수 있기 때문이다. 결맞음상실시간은 현재 대부분의 방식의 경우 길어야 수 밀리초(ms)에 머물고 있다. 또한, 현재 대부분의 방식은 단광자-단원자 상호작용에 의존하고 있기 때문에 양자측정이 매우 중요한 이슈가 되고 있으며 이는 양자과학의 실용화를 지연시키는 요인이 되고 있다.

따라서, 거시 양자계의 양자얽힘은 매우 중요하다. 왜냐하면, 다수의 원자나 분자, 이온으로 이루어진 거시양자계에는 일반적으로 양자성질이 잘 보존되지 않기 때문이다. 거시양자계의 중첩을 나타내는 쉬뢰딩거 캣 상태구현은 양자얽힘으로 가는 직전의 단계로써 양자컴퓨터를 비롯하여 모든 양자정보분야를 포괄하는 양자과학 및 양자공학에 매우 중요한 의미를 지닌다. 그 이유는 기본적으로 쉬뢰딩거 캣은 미시세계인 양자계와 거시세계인 현실계에 걸쳐 있기 때문이며, 양자정보처리장치를 구현해야 하는 양자 장치 및 측정에 있어 훨씬 현실적이기 때문이다. 이러한 거시양자중첩상태는 최근 프랑스와 독일 막스플랑크 연구소 등에서 실험적으로 구현하는데 일부 성공을 했다.[21] 즉, 이들은 마이크로공진기 내에 이러한 거시적 중첩상태를 어느 정도 구현하였으나 만족스러운 결과는 아니었고, 이를 양자전산에 쓰기 위해서는 공진기 밖으로 내보내야 하는 불가능에 가까운 어려움을 안고 있다. 잘 알려진 바와 같이 공진기를 쓰는 이유는 약한 빛의 세기에서 급격히 감소한다는 비선형성을 극복하기 위한 것이다. 또한 양자얽힘구현을 위한 지금까지의 가장 유력한 방법인 편광 빛을 이용한 실험에서는 단광자와 서로 직교하는 편광이라는 제약이 있고 그 구성이 매우 복잡하며 빛의 검출효율이 매우 낮아 그 실용성이 의문시된다.

최근 전자기유도투과에 기초한 빛 속도 지연실험이 기체와 고체에서 성공하여 세계의 이목을 주목하게 한 사건이 있었다. [6,22] 여기서 빛 속도 지연은 빛이 물질과 상호작용할 때 물질을 공진하며 통과하는 빛의 흡수는 없게 하면서 (전자기유도투과원리) , 물질의 굴절률비를 급격하게 증가시켜 진행하는 빛의 군속도를 지연시키는데 그 원리가 있다. [6] 이러한 군속도 지연은 비선형성에서 매우 중요한 빛과 물질의 상호작용시간을 증가시키는데 기여하게 되고 동시에 공진상태에서 비흡수투과됨으로 기존방식과는 달리 비선형성 급격히 증가되어 단양자 수준에서조차도 빛을 공진기내에 가둘 필요가 없게 된다. 또 다른 중요한 사실은 군속도 지연의 원인이 되는 물질의 굴절률비 (분산)의 급격한 증가는 곧 투과하는 빛의 위상차에 기여하게 된다. [23] 즉 180도 위상차를 약한 빛으로도 쉽게 확보할 수 있어 양자중첩을 이룰수 있게된다. [24] 참고로 단광자수준의 광자를 사용하여 공진기내 비선형성을 통해 얻은 위상차는 16도에 불과하다. [25] 거대 커 비선형성은 이미 실험적으로도 증명되었는데 그때 얻어진 비선형성은 기존방식에 비해 천만 배 이상이라는 것이 보여졌다. [5, 23] 따라서, 이들 빛속도 지연을 양자중첩원리에 응용하면 공진기 없이도 단양자수준의 적은 수의 광자를 사용해서 양자중첩상태를 구현할 수 있다. 이러한 양자중첩상태는 양자정보의 핵심인 양자얽힘으로 가는 최초의 단계이며 필수적인 수단이다. 또한 양자얽힘 확장성의 제약은 사용하는 매질의 hole burning을 이용하여 수백큐빗의 확장성을 담보할 것이다.[26]

참고문헌[1] E. Schrodinger, Die gegenwartige Situation in der Quantenmechanik, Naturwissenschaften 23, pp 807-849 (1935).[2] C. Monroe et al., A Schrodinger cat superposition state of an atom, Science 272, pp. 1131-1135 (1996).[3] J.P. Dowling and G.J. Milburn, Quantum technology: the second quantum revolution, quant-ph/0206091 (2002); A. Zeilinger et al., Special issue: quantum information, Phys. World March pp. 34-57(1998).[4] S.E. Harris, Electromagnetically induced transparency, Phys. Today 50 (7), 36 (1997).[5] H. Schmidt and a. Imamoglu, Giant Kerr nonlinearities obtained by electromagneticdally induced transparency, Opt. Lett. 21, pp. 1936-1938 (1996).[6] L.V. Hau et al., Light speed reduction to 17 m/s in an ultracold atomic gas, Nature (London) 397, pp. 594-596 (1999).[7] A. Aczel, Entanglement: the great mystery in physics (Four Walls Eight Windoew, NY, 2001).[8] A. Einstein, B. Podolsky, and N. Rosen, Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?, Phys. Rev. 47, pp. 777-780 (1935).[9] J. Bell, On the Einstein-Podolsky-Rosen paradox,' Physics 1, 195 (1964).[10] J. F. Clauser and A. Shimony, Rep. Prog. Phys. 41, pp. 1881-1884 (1976)[11] A. Aspect, P. Grangier, and G. Roger, Phys. Rev. Lett. 47, pp. 460-463 (1981); A. Aspect, D. Grangier, and G. Roger, Phys. Rev. Lett. 49, pp. 91-94 (1982); A. Aspect, J. Dalibard, and G. Roger, Phys. Rev. Lett. 49, pp. 1804-1807 (1982).[12] Y. H. Shih and C. O. Alley, Phys. Rev. Lett. 61, pp. 2921-1924 (1988).[13] R.P. Feynman, Quantum Mechanical Computers, Plenary talk at the CLEO/IQEC Meeting (1984); D. Deutsch, Quantum theory, the Church-Turing Principle and the universal quantum computer, Proc. R. Soc. Lond. A, 400, pp.97-117 (1985).[14] P.R. Tapster, J.G. Rarity, and P.C.M. Owens, Phys. Rev. Lett. 73, 1923-1926 (1994).[15] P.W. Shor, Proceedings of 35th annual symposium on foundations of computer science, IEEE computer Society Press (1994); A. Ekert and R. Jozsa, Computer computation and Shor's algorithm, Rev. Mod. Phys. 68, pp. 733-753 (1997).[16] L.K. Grover, Phys. Rev. Lett. 79, pp. 325-328 (1997).[17] T. Yamamoto et al., Experimental extraction of an entangled photon pair from two identically decohered pairs, Nature 421, pp. 343-346 (2003); J-W Pan et al., Entanglement purification for quantum communication. Nature 410, pp.1067-1070 (2001).[18] F. Grosshans et al., Quantum key distribution using Gaussian-modulated coherent states, Nature 421, pp.238-241 (2003).[19] S. Gulde et al., Implementation of the Deutsch-Josza algorithm on an ion-trap quantum computer, Nature 421, pp.48-50 (2003).[20] F. Schmidt-Kaler et al., Realization of the Cirac-Zoller controlled-NOT quantum gate, Nature 422, pp.408-411 (2003).[21] J.M. Raimond, M. Brune, and S. Haroche, Reversible decoherence of a mesoscopic superposition of field states, Phys. Rev. Lett. 79, 1964 (1997).[22] A.V. Turukhin et al., Observation of ultraslow and stored light in a solid, Phys. Rev. Lett. 88, 023602 (2002).[23] S.E. Harris and L.V. Hau, Nonlinear optics at low light levels, Phys. Rev. Lett. 82, 4611-4614 (1999).[24] M. Paternostro, M.S. Kim and B.S. Ham, Generation of entangled coherent states via cross-phase-modulation in a double EIT regime, Phys.Rev.A 67, 023811(2003).[25] Q.A. Turchette et al., Measurement of conditional phase shifts for quantum logic, Phys. Rev. Lett. 75, 4710-4713 (1995).[26] M.S. Shahriar et al., Solid-state quantum computing using spectral holes, Phys. Rev. A 66, 032301 (2002).[27] H. Jeong and M.S. Kim, Efficient quantum computation using coherent states, Phys. Rev. A 65, 042305 (2002).[28] B.S. Ham, P.R. Hemmer, and M.S. Shahriar, Efficient electromagnetically induced transparency in a rare-earth doped crystal, Opt. Commun. 144, 227 (1997).[29] B.S. Ham, M.S. Shahriar, and P.R. Hemmer, Enhanced nondegenerate four-wave mixing owing to electromagnetically induced transparency in a spectral hole-burning crystal, Opt. Lett. 22, 1138-1140 (1997).[30] B.S. Ham, P.R. Hemmer and M.S. Shahriar, Efficient phase conjugation via two-photon coherence in an optically dense crystal, Phys. Rev. A59, R2583-R2586 (1999).