양자 컴퓨팅을 위한 이온 트랩 연구 동향과 전망

배준호, New Physics: Sae Mulli 74, 1106 (2024).

양자역학에 기반을 둔 컴퓨터인 양자 컴퓨터 혹은 양자 컴퓨팅에 대한 연구개발이 전세계적으로 고조되고 있다. 양자 컴퓨터는 양자역학의 특성을 이용해 정보를 처리하며, 이를 통해 고전적 컴퓨터로는 매우 어렵거나 불가능한 계산들을 효율적으로 수행할 수 있다. 양자 컴퓨터에서 정보를 처리하는 핵심 부분은 양자 비트 혹은 큐빗이라고 불리는데 고전적 컴퓨터의 이진 비트에 해당한다. 이 큐빗을 물리적으로 어떻게 구현하느냐에 따라 몇 가지의 큐빗에 기반한 양자 컴퓨터가 활발히 연구 개발 중에 있다. 현재 구현된 큐빗으로는 초전도체 큐빗, 이온 트랩 큐빗, 반도체 기반 큐빗, 그리고 다이아몬드 NV 센터 큐빗을 들 수 있다.

이온 트랩(ion trap)은 현재의 양자 컴퓨팅 기술에서 가장 유망한 큐빗 구현 기술 중 하나이다. 이온 트랩은 전자기장(electromagnetic fields)을 사용하여 개별 이온을 공간적으로 고정하고, 이렇게 가둬진 (트랩된) 이온의 전자 상태 또는 운동 상태를 양자 정보로 사용한다. 가둬진 이온은 양자 게이트 연산 및 양자 알고리즘 실행에 필요한 높은 제어성과 긴 결맞음(coherence) 시간을 제공하는 특징이 있다. 큐빗 기술에서 결맞음은 특히 중요한데, 결맞음은 양자 컴퓨터의 큐비트가 양자 상태를 유지하며 외부 환경의 간섭 없이 정보 처리가 가능한 상태를 뜻한다. 이온트랩 양자 컴퓨터에서는 큐비트가 전자기장으로 가둬진 이온의 양자 상태로 표현되며, 결맞음이 오래 유지될수록 정확한 계산이 가능하다. 이온 트랩 기술은 다른 종류의 큐빗 특히 초전도체 큐빗과 비교하였을 때 큐빗의 결맞음을 유지하는 시간이 긴 장점이 있다. 큐빗은 외부 노이즈나 열적 상호작용으로 인해 결맞음이 깨질 수 있어 이를 최대한 오래 유지하는 것이 큐빗의 연구개발에서 중요한 연구 과제이다.

본 리뷰 논문에서는 이온 트랩 기술의 최근 연구동향을 설명하였고, 차세대 양자 컴퓨터 실현을 위한 이온 트랩 기술의 잠재력을 논의하였다. 양자 컴퓨터 연구 개발이 하루가 다르게 발전하고 있는 상황에서 이온 트랩기술은 차세대 양자 컴퓨터 구현을 위한 핵심 기술 중 하나로서 눈부신 발전이 기대된다.

액체섬광검출용액 및 광전증배관에 대한 신호 패턴 인식과 예지 보전 연구

김상용, 이현기, 주경광, 최지영, New Physics: Sae Mulli 74, 1116 (2024).

우주를 구성하는 기본 입자와 그 상호 작용을 연구하는 핵, 입자 물리학 분야에서 고 에너지 입자를 검출하고 분석하는 기술은 매우 중요하다. 검출기는 높은 기하학적 가공성, 섬광 효율, 광 출력, 경제성이 요구된다. 이러한 특성을 만족하는 대표적인 검출기 구성의 하나로 섬광체가 유기 용매에 용해된 액체 섬광검출용액와 광전증배관을 서로 연결할 수 있다. 검출 용액을 통과하는 고에너지 입자는 운동 에너지를 잃어 액체 섬광체에 전달하고 그 에너지를 전달받은 액체 섬광체는 빛을 방출한다. 광전증배관은 다시 그 빛을 최종적으로 전기 신호로 변환한다. 높은 신호 대비 잡음 비를 달성하기 위해, 본 연구진들은 차세대 액체섬광검출용액에 대한 다양한 검출 물질을 집중 연구 및 개발 중이다. 광검출기 시스템의 응답 특성 연구 중에 유발된 신호 패턴 인식 및 예지 보전에 대한 기초 연구를 보고하였다. 검출기에서 발생하는 신호는 입자의 종류, 에너지, 검출기 내부에서의 상호작용, 주변 환경에 따라 다양한 패턴을 보인다. 그 중 한 예로 그림과 같이 방사성 동위원소 선원들과 액체섬광검출용액들을 이용하여 패턴들의 범주화를 시도하였다. 액체섬광검출용액을 이용하는 검출기에서 예측 유지 보수를 안정성이 높은 운영체제에서 구현하였다.

물리하기의 재평가: 인식론적 주체성과 문화적 실천의 역할

Seon Kyu Yoon, Sanghoon Shin, Younghun Yu, New Physics: Sae Mulli 74, 1278 (2024).

‘물리하기(doing physics)’는 물리 영역에서 지식을 구성하는 활동에 참여하는 것을 의미하며, 이는 물리학자나 물리 학습자가 지식을 구성하는 과정을 의미한다. 이 논문에서는 물리 학습에서 물리하기의 의미를 이해하기 위한 방편으로 ‘물리하기’의 핵심 요소인 물리 탐구와 실험활동의 개념이 물리(과학)교육 연구에서 어떻게 변화했는지 문헌을 검토하고, 최근의 사례를 한국의 중학교 과학 수업에서 찾아 물리하기를 지원하는 수업 전략을 탐색하였다. 물리 또는 과학교육 문헌의 검토 결과 탐구와 실험 활동은 내용영역과 무관하게 모든 과학 활동의 일반적인 기능이나 방법으로 간주되어 교육되어왔던 전통에서 과학이나 물리 영역 고유의 문화적 실천으로서의 의미를 갖는 ‘과학 실천(scientific practice)’ 또는 ‘물리 실천(physics practice)’의 의미로 변화했음이 드러났다. 즉, 물리하기란 물리 영역에서 지식을 구성하는 활동이며, 이는 물리 학습자가 자기주도적으로 인식론적 주체성을 가지고 물리 영역 고유의 탐구 실천 활동을 수행하면서 물리 영역에서 다루는 다양한 현상의 의미를 이해하고 나름의 의미구성을 하는 활동을 뜻한다. 이러한 변화는 한국을 비롯한 여러 나라의 최신 교육과정에서 학생들이 과학적 실천을 수행하면서 인식론적 주체성을 가지고 의미 만들기(sensemaking)에 참여하는 내용을 강조하는 데에서도 드러났다. 이러한 과학실천과 의미 만들기 개념을 바탕으로 나는 다섯 명의 중학교 과학 교사가 진행한 한 개 단원의 수업 녹화 자료를 수집하여 학생들이 참여하는 과학 실천 장면들을 추출하고 그 장면에서 과학 교사들이 어떻게 학생들의 의미 만들기를 촉진하는지 분석하였다. 분석결과 학생들의 일상 경험이나 사전 지식의 활용, 지식보다는 추론과정의 강조, 의미 구성을 위한 비유의 활용 등과 같은 촉진 전략을 확인하였고, 학생들의 의미 만들기를 촉진하는 데 있어 교사의 학생 사고 과정 알아차리기(noticing) 역량의 중요성을 확인하였다. 이 논문은 학생의 물리하기를 구성하는 주요 요소로서 과학적 실천과 인식적 주체성을 강조하고, 학생들의 의미 만들기를 촉진하는 데 있어 교사의 알아차리기를 중요한 교육 역량으로 제시한다(그림).

Height Estimation in Digital Holography using Reconstructed Amplitude Image

Nam-Hwa Kang, New Physics: Sae Mulli 74, 1219 (2024).

▲ Sample structure and profile. (a) reconstructed amplitude image; (b) profiles along the dotted line in (a); (c) 3D image.

과학 기술의 발전에 따라 미세 MEMS부터 대형 엔진에 이르기까지 다양한 크기의 시료에 대한 3차원 형상 측정 기술의 필요성이 증가하고 있다. 이를 위해 다양한 3차원 형상 측정 방법이 개발되어 왔으며, 대표적인 방법으로 포인트 스캐닝, 빛의 간섭을 이용한 방법, 줄무늬 패턴 빔을 이용한 방법 등이 있다.

이 중 디지털 홀로그래피 방식은 빛의 간섭을 이용하면서도 2차원 평면(단차)에 대해 한 장의 홀로그램으로부터 측정이 가능하다는 점에서 주목받고 있다. 디지털 홀로그래피는 간섭무늬를 측정하여 3차원 형상을 복원하는 방식으로, 정밀도가 매우 우수하고 측정 시간이 짧아 효율성이 높다. 그러나 이 방식은 위상 측정을 기반으로 하기 때문에, 시료의 단차가 측정에 사용된 파장의 범위를 초과할 경우 측정이 불가능하다는 한계가 있다.

이 문제를 해결하기 위해 2파장 디지털 홀로그래피 방법이 제안되었다. 이 방법은 두 개의 서로 다른 파장을 사용하여 단차의 범위를 확장함으로써 더 큰 단차도 측정할 수 있도록 한다. 하지만 이 과정에서 잡음이 증폭되는 문제점이 발생할 수 있고, 파장을 확대하는 데도 한계가 있다. 그럼에도 불구하고 현재는 디지털 홀로그래피를 활용한 단차 측정에 2파장 측정법이 널리 사용되고 있다.

디지털 홀로그래피에서 간섭무늬를 재생하면 세기 재생상과 위상 재생상이 생성된다. 기존에는 주로 위상 재생상을 이용하여 위상 측정을 수행하여 3차원 측정을 하였다. 본 연구에서는 광원의 가간섭길이(coherence length)가 시료의 단차와 비교될 만한 수준일 때 세기 재생상에도 단차의 정보가 반영된다는 점에 착안하여, 세기 재생상을 활용한 단차 측정 방법을 연구하였다. 그림은 세기 재생상을 이용하여 측정한 결과이다. 이 방법을 활용하면 파장을 초과하는 확장된 OPD (Optical Path Difference) 범위에서 샘플의 높이를 측정할 수 있다. 따라서 기존의 디지털 홀로그래피 방식으로는 어려웠던 가시광선 파장보다 큰 단차의 측정이 가능해져, 다양한 산업 및 연구 분야에서의 활용 가능성이 있다.