‘마그논’은 자성물질 내부에서 발생하는 집단적 전자스핀의 진동 현상으로, 마이크로파 포톤, 광 포톤, 포논 등과 강한 상호작용을 해 양자컴퓨팅, 양자통신 등에서 활용성이 높다.
특히 마그논은 정보를 한 방향으로만 전달하는 비상호성을 가질 수 있어 양자노이즈 차단을 통한 소형 양자칩 개발에 응용될 수 있다. 또 마그논을 광 또는 마이크로파와 결합하면 양자정보를 수십 ㎞까지 전송하는 양자통신 소자 역할도 가능하다.
그러나 마그논은 짧은 전파거리, 결맞음 상태 유지 어려움 등 근본적 제약이 있어 양자 소자에 적용하는 것에 한계가 있었다.
세상에 없는 아이디어, 자석으로 양자컴퓨터 개발하기
KAIST 물리학과 김갑진 교수팀이 미국 아르곤국립연구소, 일리노이대 어바나-샴페인(UIUC)와 공동연구로 ‘광자-마그논 하이브리드 칩’을 개발, 세계 최초로 자성체에서 다중펄스 간섭현상을 실시간 구현하는 데 성공했다고 6일 밝혔다.
연구팀이 개발한 칩은 빛과 마그논이 함께 작동해 멀리 떨어진 자석 사이에 신호를 전송하면서 여러 개의 신호가 간섭하는 현상을 실시간 관측·조절할 수 있다.
이 기술은 자석이 양자연산의 핵심 부품이 될 수 있음을 입증한 세계 최초 실험으로, 자성체 기반 양자컴퓨팅 플랫폼 개발의 중요한 전환점이 될 전망이다.
마그논은 특수 자석물질 ‘반강자성체’를 이용하면 양자컴퓨터 작동 주파수를 ㎔(테라헤르츠) 대역으로 높여 복잡한 냉각 장비 없이 상온에서 작동하는 양자컴퓨터의 개발할 수 있다. 마그논 기반 양자컴퓨팅과 통신시스템 전반의 기술을 실현하려면 마그논 파동이 언제 시작되고 움직이는지에 대한 위상정보를 실시간 측정하고 제어하는 기술이 필수다.
연구팀은 작은 자석구슬인 ‘이트륨 철 가넷(YIG)’ 2개를 12㎜ 간격으로 배치하고, 그 사이 구글과 IBM 양자컴퓨터에서 사용되는 초전도 공진기를 설치해 한쪽 자석에 신호를 넣어 다른 자석까지 정보가 잘 전달되는지 측정했다.
측정결과 수 ㎱ 길이의 아주 짧은 한 펄스부터 최대 네 개의 마이크로파 펄스를 입력하였을 때 생기는 자석 내부 마그논이 초전도 회로를 통해 멀리 있는 다른 자석까지 손실 없이 전달되는 것을 확인했다. 또 여러 펄스 사이에 간섭을 일으켰을 때 각각의 위상정보를 유지하며 신호가 예측대로 보강 또는 상쇄되는 결맞음 간섭현상을 실시간 관측했다.
이와 함께 여러 펄스의 주파수와 이들 간 시간 간격을 조절해 자석 안에 생기는 마그논의 간섭패턴을 임의로 제어할 수 있음을 입증, 전기신호 입력을 통해 마그논의 위상정보를 자유롭게 제어할 가능성을 처음 입증했다.
이번 연구는 양자정보 처리 분야에서 필수적인 다중 펄스를 활용한 양자 게이트 연산이 자성체-초전도 회로 하이브리드 시스템에서도 구현될 수 있음을 입증한 것으로, 자성체 기반 양자소자가 실질적으로 양자컴퓨팅에 활용될 수 있는 가능성을 연 것으로 중요한 의미를 갖는다.
김 교수는“이번 연구결과는 양자 스핀트로닉스라는 새로운 연구 분야의 가능성을 열고, 고효율 양자정보 처리장치 개발을 위한 중요한 전환점을 제시했다”며 “마그논 기반 초정밀 양자정보 처리장치 개발과 같은 미래 첨단기술 개발에도 중요한 기초연구 역할을 할 것으로 기대된다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 이번 연구는 ‘세상에 없는 기술을 제안하라’는 KAIST 글로벌 특이점 연구사업에서 ‘자석으로 양자컴퓨터를 개발할 수 있을까?’ 아이디어로 시작해 KAIST 물리학과 송무준 박사후연구원이 제1저자로 참여했고, 연구결과는 지난달 국제학술지 ‘엔피제이 스핀트로닉스(npj spintronics)’와 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 연이어 게재됐다.
(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)
