광소자 간 제어 가능한 행렬 결합을 광집적회로 상에서 최초 구현
물리 분야 국제학술지 ‘Physical Review Letters’ 논문 게재
왼쪽부터 서울대학교 전기정보공학부 유선규 교수(공동 교신저자), 서울대학교 전기정보공학부 박남규 교수(공동 교신저자), 서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학부 박현희 교수(공동 교신저자), 서울대학교 전기정보공학부 김경훈 연구원(제1저자)
서울대학교 공과대학 전기정보공학부 유선규·박남규 교수 연구팀이 연산 순서에 따라 결과가 달라지는 비가환(Non-Abelian) 물리 현상을 광집적회로에서 구현할 수 있는 프로그래머블 스피너 격자 구현에 성공했다. 이번 연구는 서울시립대 박현희 교수, 영국 엑시터대 젠슨 리 교수와의 국제 공동연구로 진행됐으며, 위상학적 양자 컴퓨팅의 핵심 원리를 고전적 광학 시스템으로 모사했다는 점에서 학계의 주목을 받고 있다.
‘순서가 핵심’인 비가환 물리, 광학 칩 안으로
비가환성이란 동일한 연산을 수행하더라도 그 적용 순서가 바뀌면 최종 결과가 달라지는 성질을 의미한다. 이는 마이크로소프트 등 글로벌 기업들이 집중하고 있는 위상학적 양자 컴퓨팅의 게이트 연산을 가능케 하는 핵심 원리다.
기존 광집적회로 연구는 저전력·초고속 연산이라는 장점에도 불구하고 미세한 공정 오차나 소자 간 상호작용으로 인해 연산의 안정성을 유지하는 데 어려움을 겪어왔다. 연구팀은 빛의 내부 자유도를 행렬 형태로 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 광집적회로 개념을 제안해 이 문제를 해결했다.
빛으로 땋은 ‘매듭’, 에러 없는 연산 가능성 제시
연구진은 광소자 내 유사 스핀 모드 간의 결합을 활용해 행렬 연산이 가능한 단위 소자를 개발했다. 특히 입자들의 경로를 교차시켜 연산을 수행하는 땋음(braiding) 동작을 광학적으로 시연하는 데 성공했다. 이는 빛의 상태를 마치 매듭처럼 엮는 방식으로, 외부 결함이나 잡음에도 정보가 쉽게 깨지지 않는 위상학적 보호 특성을 제공한다.
또한, 서로 다른 위상 물질의 경계에서 나타나는 비가환 계면 현상을 세계 최초로 관찰했다. 이 계면에서 에너지 밴드갭이 다시 열리는 현상을 확인하며, 광학 연산에 필수적인 높은 에러 저항성과 제어 효율을 동시에 확보할 수 있는 길을 열었다.
차세대 광자 AI 및 양자 컴퓨팅 가속화 기대
이번 성과는 물리 분야 권위지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 지난 1월 30일 게재됐다. 이번 연구를 통해 그간 광학 시스템의 고질적 문제였던 미세 보정 및 안정화 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 전망된다.
유선규·박남규 교수는 "광집적회로에서 구현 가능한 위상학적 자유도를 극대화하는 데 성공했다"며 "향후 실리콘 포토닉스 기술과 결합해 결함에 강한 광자 AI를 구현하는 것이 최종 목표"라고 밝혔다.
한편, 이번 연구의 제1저자인 김경훈 연구원은 서울대 학부 인턴 과정 중 연구를 주도했으며, 현재는 미국 매사추세츠 공과대학(MIT)에서 초전도 양자컴퓨터 연구를 이어가고 있다.
※ 참고자료
논문 제목/저널: Programmable lattices for non-Abelian topological photonics and braiding, Physical Review Letters
uapple
기자
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