- 물질의 딱딱한 정도를 빠르고 정확하게 변환하는 인공촉각뉴런소자 개발 - AI 기술과 결합, 종양의 딱딱한 정도와 모양을 학습하여 암진단 가능성 제시 세포에서부터 조직에 이르기까지 다양한 생체 물질의 딱딱한 정도와 모양은 질병과 관련된 정보를 반영한다. 예를 들어 유방암의 경우 일반적으로 악성 종양이 양성 종양보다 더 딱딱하고 불규칙한 모양을 지닌다. 탄성 초음파 검사는 비침습적으로 조직의 딱딱한 정도와 모양을 파악할 수 있으며, 비용이 저렴하여 유방암 진단에 주로 활용되고 있다. 그러나 탄성 초음파 이미지를 해석하기 위해서는 경험이 많은 전문가의 견해가 필수적이고 전문가 간 정확도에도 차이가 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 스핀융합연구단 이현정 박사팀과 인공뇌융합연구단 이수연 단장팀이 촉각 뉴런 소자와 인공신경망 학습 방법을 접목시켜 간단하지만 정확도가 높은 질병 진단기술을 개발했다고 밝혔다. KIST 연구진이 개발한 촉각 뉴런 소자는 기존에 보고된 인공 촉각 뉴런 소자와는 달리 접촉하는 물체의 딱딱하고 부드러운 정도의 구분이 가능하다. 뉴로모픽(Neuromorphic) 기술은 적은 에너지를 소비하면서 고차원적인 기능을 수행하는 인간 뇌의 정보처리 방식을 전자회로로 모방하려는 연구 분야다. 복잡하고 방대한 정보를 실시간으로 처리해야 하는 인공지능, 사물인터넷, 자율주행차 시대에 적합한 새로운 데이터 처리 기술로 각광받고 있다. 감각 뉴런은 감각 수용체를 통하여 외부 자극을 받아들이고 이를 전기적 스파이크 신호 형태로 변환하는데, 이 때 외부 자극에 대한 정보에 따라 생성되는 스파이크 패턴이 달라진다. 예를 들어, 자극이 세기가 클수록 생성되는 스파이크의 주파수가 빨라진다. KIST 연구진은 이러한 감각 뉴런의 특성을 구현하기 위해 압력센서와 오보닉 임계 스위치 소자를 결합한 간단한 구조의 인공촉각뉴런소자를 개발했다. 압력 센서에 압력이 가해지면 센서의 저항이 낮아지고 연결된 오보닉 스위치 소자의 스파이크 주파수가 변화된다. 개발된 인공촉각뉴런소자는 딱딱한 물질일수록 누를 때 압력을 더 빨리 느낀다는 부분에 착안해 누르는 힘이 록 더 빠른 전기적 스파이크를 발생시키도록 하고, 압력에 대한 감지 민감도를 동시에 개선한 고응답, 고민감도 소자이다. 개발된 소자에서 발생되는 전기적 스파이크의 속도는 0.00001초 이하여서 일반적으로 물체를 누르는데 수 초가 걸리는 것과 비교해 100,000배 이상 속도가 빨라 실시간으로 누르는 힘의 변화를 스파이크로 변환할 수 있다. 또한, 기존 소자가 물질을 가볍게 누르는 정도의 낮은 압력(약 20kPa)을 20~40 Hz 수준의 스파이크 변화량으로 감지할 수 있었던 반면 개발된 소자는 1.2MHz 수준으로 감지가 가능하다. 연구진은 개발한 소자를 실제 질병 진단에 활용하기 위해 누르는 물체의 딱딱한 정도에 따라 달라지는 스파이크 변화량에 스파이킹 인공신경망 학습기법을 접목하여 악성 또는 양성의 유방암 탄성 이미지에 대한 학습을 진행한 결과 최대 95.8%의 정확도로 유방 종양의 악성여부를 구분할 수 있었다. 탄성 초음파 이미지의 픽셀별로 나타난 색을 스파이크 주파수 변화량 수치로 변화시키고, 이를 인공지능에 학습시킴으로써 더 간단하고 정확하게 유방암 진단이 가능하도록 한 것이다. KIST 연구진은 “개발된 인공촉각뉴런 기술은 간단한 구조와 방식으로 기계적인 물성 감지 및 학습이 가능하다.”면서 “후속 연구를 통해 현재 탄성 초음파 이미지로 얻을 수 있는 물체의 탄성 이미지를 인공촉각뉴런으로 얻을 수 있게 된다면 초음파 탄성 이미지의 단점인 반사 노이즈 문제를 해결할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 또한 “저전력, 고정확도의 질병 진단 뿐만 아니라 로봇 수술 등과 같이 수술 부위를 인간이 직접 접촉할 수 없는 환경에서 빠른 시간 내에 인식하고 판단해야 하는 상황에도 유용하게 활용될 수 있을 것”으로 기대했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업, 차세대지능형반도체기술개발사업, 미래반도체신소자원천기술개발사업, 나노·소재원천기술개발사업으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 재료 분야 국제 저널인 ‘Advanced Materials’ (IF: 30.849, JCR 분야 상위 2.160%) 최신 호에 게재되었으며 표지논문으로 선정되어 출판될 예정이다. * (논문명) An Artificial Tactile Neuron Enabling Spiking Representation of Stiffness and Disease Diagnosis - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이준석 학생연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김선정 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이수연 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이현정 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 생물학적 촉각 뉴런과 본 연구에서 개발한 인공 촉각 뉴런 소자의 동작 비교 모식도 [그림 2] (왼쪽) 누르는 물질의 딱딱한 정도에 따른 인공 촉각 뉴런 소자의 스파이크 신호 패턴 예시, (오른쪽) 생성된 스파이크 정보를 바탕으로 유방암 탄성 초음파 이미지를 학습하여 종양의 악성/양성을 판단하는 예시. 빨간색은 부드러운 영역을, 파란색은 딱딱한 영역을 나타냄

- 세계 두 번째로 확장 가능한 TF QKD 네트워크 구조 검증 현대의 암호 체계는 수학적인 문제를 기반으로 공개키와 비밀키를 생성하고, 이를 이용하여 정보를 암호화하고 해독하는 것이 일반적이다. 반면 계산 복잡도가 아닌 양자역학 법칙에 기반하고 있는 양자암호는 양자컴퓨터의 연산 능력과 관계없이 높은 보안성을 보장할 수 있어서 조만간 현대 암호체계를 대체할 수 있을 것으로 보인다. 양자키 분배(QKD, Quantum Key Distribution) 기술은 양자암호의 상용화를 위해 반드시 갖추어야 할 핵심 기술로 꼽힌다. QKD 구현을 위해 해결해야만 하는 주요 기술 이슈는 두 가지가 있다. 첫째는 현재 약 100km내에서만 작동이 제한되는 통신거리이고, 두 번째는 일대일(1:1) 통신에서 일대다(1:N) 또는 다대다(N:N) 네트워크 통신으로 확장하는 것이다. 2018년에 발표된 TF(Twin-field) QKD는 기존 QKD 시스템의 통신거리를 획기적으로 늘릴 수 있는 장거리 프로토콜로 주목받았다. QKD 시스템은 양자신호를 송수신부로 전송하는 과정에서 양자신호의 손실이 발생하는데, TF QKD는 수신자와 송신자가 양쪽에서 동시에 정보를 보낼 수 있고, 제 3자의 측정 장치를 중간에 추가하여 수신자 송신자가 중간까지만 정보를 송신하더라도 통신이 가능하게 하여 통신거리가 증가되는 효과를 가진다. 그러나 TF QKD 프로토콜의 검증은 시스템 개발 난이도가 매우 높아 세계적인 QKD 선도그룹에서만 성공하였고, 네트워크 통신 확장에 관한 연구는 미진한 상태이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 양자정보연구단 한상욱 단장 연구팀이 단일 광원을 사용하는 PnP 구조를 적용하여 TF QKD 시스템 작동에 필요한 난이도를 낮추는 것과 동시에, 1:1이 아닌 다대다 네트워크로 확장이 동시에 가능한 시스템 구조를 제안했다고 밝혔다. 이는 캐나다 토론토 대학에 이어 TF QKD 네트워크 실험 검증에서는 세계에서 두 번째로 성공한 것이다. 연구팀은 TF QKD 시스템의 개발 난이도를 개선하기 위해 플러그앤플레이 (Plug and play, PnP) 구조를 적용하였다. 기존 TF-QKD 시스템에서는 송수신자가 각각 양자신호로 두 개의 광원을 사용하였기 때문에 서로 다른 두 광원의 특성을 동일하게 만들기 위한 제어 시스템이 필요하다. KIST 연구팀이 개발한 PnP TF QKD 구조는 하나의 광원으로만 동작하여 제 3자의 측정 장치가 동일한 광원을 양쪽 송수신자에게 전달하고 그 광원을 활용하여 정보를 공유하는 시스템이다. 이러한 이유로, 동일한 양자 신호가 통신 채널을 왕복하기 때문에 채널에서 발생하는 편광 노이즈(잡음)가 자동으로 보상되는 특징을 가지고 있다. 연구팀은 또한 편광, 시간, 파장 분할 기술을 적용하여 2:N 네트워크로 확장 가능한 새로운 TF QKD 네트워크 구조를 제안하고 실험적으로 검증하였다. 이는 세계에서 두 번째로 TF QKD 네트워크 실험 검증에 성공한 사례이다. 최초의 연구사례는 링(Ring) 네트워크 구조인 반면 연구팀의 구조는 별(Star) 네트워크 구조이다. 링 구조는 양자신호가 링에 연결된 모든 곳을 지나야 하지만, 별 구조에서는 중심부만 거치기 때문에 보다 실용적인 QKD 시스템 구현이 가능하다. 연구를 주도한 양자정보연구단 한상욱 단장은 “QKD의 상용화를 가로막던 장거리, 네트워크 확장 두 가지 과제를 동시에 해결한 연구성과”라면서 “장거리 양자암호 네트워크 분야를 리딩할 수 있는 기반 기술을 확보했다는 것에 의의가 있다”고 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 양자컴퓨팅기술개발사업, IITP 정보통신방송기술개발사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 ‘npj Quantum Informaion’ (IF: 7.385 JCR 분야 상위 4.054%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) 2×N twin-field quantum key distribution network configuration based on polarization, wavelength, and time division multiplexing - (제 1저자) 한국과학기술연구원 박창훈 학생연구원 - (공동교신저자) 아주대학교 김상인 교수 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 한상욱 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 2:N TF QKD 네트워크 구조 [그림 2] 실험 모식도

- 페르미준위 고정현상 해결하여 2차원 반도체 소자 성능 획기적으로 높여 - 인공지능시스템의 소형화 등 차세대 시스템 기술의 상용화를 앞당길 것으로 기대 영화에서만 주로 볼 수 있었던 인공지능시스템, 자율주행 시스템을 일상생활 속에서 실현하기 위해서는 컴퓨터의 두뇌 역할을 하는 프로세서가 더 많은 데이터를 처리할 수 있어야 한다. 그러나 컴퓨터 프로세서의 필수 부품인 실리콘 기반 논리 소자는 미세화·집적화가 심화되면서 공정비용과 전력 소모가 증가하는 한계가 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위해 원자층 수준으로 매우 얇은 2차원 반도체에 기반한 전자소자 및 논리 소자 연구가 진행되고 있다. 그러나 2차원 반도체는 기존 실리콘 반도체 소자보다 도핑을 통한 전기적 특성 제어가 어려우므로 다양한 논리회로를 구현하기가 기술적으로 어려웠다. 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진)은 광전소재연구단 황도경 박사와 군산대학교 (총장 이장호) 물리학과 이기문 교수 공동 연구팀이 새로운 초박막 전극 소재(Cl-SnSe2)를 개발함으로써 전기적 특성을 자유자재로 제어할 수 있는 2차원 반도체 기반 전자소자 및 논리소자를 구현하는 데 성공했다고 밝혔다. 연구팀은 2차원 전극 물질인 Cl이 도핑된 셀렌늄화주석 (Cl-SnSe2)을 이용하여 반도체 전자소자의 전기적 특성을 선택적으로 제어할 수 있었다. 기존 2차원 반도체 소자는 페르미준위 고정현상으로 인해 N형 또는 P형 소자 중 하나의 특성만 보여 상보성 논리회로 구현이 어려웠다. 반면 연구팀이 개발한 전극 소재를 이용하면 반도체 계면과의 결함을 최소화하여 N형과 P형 소자 특성을 자유자재로 제어할 수 있다. 즉, N형, P형 소자를 별도로 제작할 필요 없이 하나의 소자에서 두 가지 기능을 모두 수행하는 것이다. 연구팀은 이렇게 개발한 소자를 통해 NOR(노어), NAND(낸드) 등 서로 다른 논리 연산이 가능한 고성능·저전력 상보성 논리회로를 구현하는 데 성공했다. KIST 황도경 박사는 “기존 실리콘 반도체 소자의 미세화·고집적화로 인해 발생하는 기술적 한계로 실용화가 어려웠던 인공지능시스템 등 차세대 시스템 기술의 산업화를 앞당기는데 기여할 것”이라며, “개발된 2차원 전극 소재는 두께가 매우 얇아 높은 광 투과성과 유연성을 보여 차세대 유연·투명 반도체 소자에도 활용될 수 있을 것”이라 기대했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 지원을 받아 KIST 주요사업, 나노및소재기술개발사업 및 정보통신방송기술개발사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 국제학술지 ‘Advanced Materials’(IF : 30.849)에 게재되었다. * (논문명) Fermi-Level Pinning-Free WSe2 Transistors via 2D Van der Waals Metal Contacts and Their Circuits - (제 1저자) 한국과학기술연구원 장지수 학생연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 나현수 박사후연구원 - (교신저자) 군산대학교 이기문 교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 황도경 책임연구원？ 그림 설명 [그림 1] 본 연구진이 구현한 이차원 반도체 소자 및 논리 소자의 동작 결과. [그림 2] 본 연구에서 구현된 2차원 반도체 전자 소자의 구조와 전자 현미경 사진. 전극과 반도체 계면에서 결함이 없음을 확인할 수 있음.

- 양자 측정에서 정보 보존 관계 최초 증명 - 양자기술의 안전성 증명, 양자컴퓨팅·양자암호통신 최적화 원천기술로 활용 기대 ‘슈뢰딩거의 고양이’는 양자 물리학의 핵심 성질인 ‘양자 중첩’과 ‘양자 측정’을 설명하기 위해 고안된 사고 실험이다. 이 실험에서 상자 안의 고양이는 살아있으면서 동시에 죽어있는 상태(양자 중첩)로 존재할 수 있고, 상자를 열어보는(측정하는) 순간 고양이의 생사가 결정된다. 이러한 양자 중첩과 양자 측정은 양자 물리학의 근간이자 양자컴퓨팅, 양자암호통신 등의 안전성을 보장하는 성질이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 양자정보연구단 홍성진, 임향택, 이승우 박사팀은 양자 측정에서 완벽한 정보 보존 관계식을 최초로 유도하고 검증하였다고 밝혔다. 즉, 양자 기술이 원리적으로 안전하다는 사실을 약한 측정의 영역에서도 완벽하게 증명한 것이다. 정보의 관점으로 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 실험을 해석하면, 우리는 고양이의 생사 정보를 얻기 위해서 상자를 열어보고(양자 측정), 이러한 행위는 본래 살아있으면서 동시에 죽어있던(양자 중첩) 고양이의 상태를 어느 한 쪽으로 변화시킨다. 즉, 우리가 ‘고양이는 죽었다’는 정보를 얻는 순간 고양이는 죽어있고, ‘고양이는 살았다’는 정보를 얻는 순간 고양이는 살아있게 된다. 양자 측정의 비가역성 때문에 그 고양이의 생사는 다시 되돌릴 수 없다. 하지만 우리가 측정을 완전하게 하지 못했다면, 예를 들어 상자를 살짝만 열어서 고양이의 꼬리만 보았다면 어떤 일이 벌어질까? 이것을 양자역학에서는 ‘약한 측정’이라고 부른다. 이런 경우 우리는 고양이의 생사에 대해서 완전한 정보를 얻을 수 없으며 측정의 ‘되돌림’을 통해 고양이의 운명을 원래대로 되돌릴 가능성이 있다. 따라서 정보이득과 상태변화, 그리고 되돌림의 확률까지 모두 고려한 ‘양자 정보의 보존 관계’를 규명하는 일은 양자 물리학의 난제였으며 양자 기술의 안전성 보장을 위해서 해결해야 할 중요한 과제였다. 연구진은 기존에 알려진 ‘정보 이득’과 ‘상태 변화’의 관계식을 확장하여 ‘되돌림’ 확률까지 고려한 정보 보존 관계식을 이론적으로 유도하였다. 그리고 편광판과 편광자 등의 선형 광학소자를 이용하여 ‘약한 측정’과 ‘되돌림 연산’을 구현하고 단일 광자로 구현된 3차원 양자 상태에 적용하여, ‘정보 이득’, ‘상태 변화’, ‘되돌림’ 간의 정보 보존 관계를 실험적으로 검증하였다. 즉, 측정 세기의 증가로 양자 상태에 대한 더 많은 정보를 얻는 행위가 양자 상태를 더 많이 변화(교란)시키고, 이로써 약한 측정 이전의 초기 양자 상태로 되돌릴 수 있는 확률이 낮아진다는 새로운 정보 보존 관계를 최초로 증명한 것이다. 초기 양자상태로 되돌릴 확률이 존재하면 양자 암호통신의 안전성은 보장되지 않는다. 본 연구의 실험을 주도한 KIST 홍성진, 임향택 박사와 이론을 주도한 이승우 박사는 “양자 상태의 정보는 측정을 통해서도 총량이 늘어날 수 없다는 사실을 증명함으로써, 양자 기술이 원리적으로 안전하다는 것을 완벽하게 규명한 결과”라며, “양자컴퓨팅, 양자암호통신, 양자전송 등의 최적화 기술로 적용될 수 있을 것으로 기대”한다고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 한국연구재단 양자컴퓨팅기술개발사업, 기초연구사업-우수신진연구, 정보통신기획평가원 양자암호통신집적화 및 전송기술고도화 사업, 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업으로 수행되었으며, 연구결과는 국제 학술지인 「Physical Review Letters」 (IF : 9.161, JCR(%) : 7.558 %) 최신호에 표지 논문으로 게재되었다. * (논문명) Demonstration of Complete Information Trade-Off in Quantum Measurement - (제 1저자) 한국과학기술연구원 홍성진 박사후연구원 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 임향택 선임연구원 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 이승우 책임연구원 ‘약한 측정’, ‘되돌림 연산’이 가해진 양자 상태의 모식도 및 양자 정보 보존 관계 (G:측정으로 얻은 정보, F:측정 후 양자상태로 남아있는 정보, R: 되돌림 성공 확률) Physical Review Letters 표지 논문 선정

- 다이아몬드 기반 양자컴퓨터의 큐비트를 나노미터 정밀도로 생성하는 기술 개발 - 책상 위에서 상온으로 동작하는 양자컴퓨터 제작에 응용 기대 양자컴퓨터는 큐비트(qubit)를 양자 계산 기본단위로 쓰는 새로운 개념의 컴퓨터다. 기존 컴퓨터의 비트(bit)는 0과 1중 한 번에 하나의 값만 나타낼 수 있지만, 양자컴퓨터의 큐비트는 0과 1을 동시에 나타낼 수 있어(중첩) 여러 계산을 병렬로 처리할 수 있다. 또한, 큐비트가 늘어날수록 양자컴퓨터의 정보처리 능력은 기하급수적으로 늘어난다. 현재 양자컴퓨터 분야에서 가장 앞서나가는 곳은 IBM, 구글 등 글로벌 기업으로, 초전도체를 이용해 큐비트를 개발하고 있다. 하지만 초전도체 기반 양자컴퓨터는 극저온 환경에서 동작하므로 온도를 유지하기 위한 부수 장치가 필요하다. KIST는 상온, 대기압에서 동작이 가능한 다이아몬드 큐비트 기반 양자컴퓨터를 개발하고 있으나 큐비트를 여러 개, 정확히 원하는 위치에 만들어내지는 못하고 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 양자정보연구단 정호중 박사 연구팀은 나노 홀 마스크를 이용해 다이아몬드 큐비트를 나노미터 단위 정밀도로 생성하는 데 성공했다고 밝혔다. 본 연구에서 개발한 나노 홀 마스크는 10 nm 이하 사이즈로, 이온이 마스크의 나노 홀을 통해서만 주입되기 때문에 정확한 위치에 다이아몬드 큐비트 생성이 가능하다. 연구진은 실리콘과 알루미늄을 동시에 쌓을 때 잘 섞이지 않는 특성을 이용하여 나노 홀 마스크를 개발하였다. 이는 물과 기름을 나노미터 단위로 촘촘히 가까이 배치해 기름 안에 물기둥을 만드는 것에 비유할 수 있다. 기름에 해당하는 실리콘 안에 물기둥에 해당하는 나노 알루미늄 기둥을 만든 다음 알루미늄 기둥만 제거하면 구멍이 생겨 나노 홀 마스크가 완성된다. 연구진은 나노 홀 마스크를 통해 제작한 큐비트를 측정하여 정밀하게 제어된 3개 이상의 다이아몬드 큐비트를 관측하였다. 정호중 박사는 “나노 홀 마스크를 통해 향후 지속해서 큐비트 개수를 늘려나갈 수 있는 확장성을 확보함으로써 현재 KIST에서 진행 중인 다이아몬드 기반 상온 포터블(portable) 양자 컴퓨터 개발에 한 걸음 더 다가간 것이 이번 연구성과의 의의”라며, “향후 공정 최적화를 통해 수율을 높이고 다이아몬드 큐비트 성능을 향상시킬 계획”이라고 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 지원으로 KIST 주요사업, 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업, 한국연구재단 양자컴퓨팅기술개발사업, 정보통신기획평가원 정보통신방송기술개발및표준화사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 나노 분야 국제저널인 ‘Nano Letters ’ (IF: 11.19, JCR 분야 상위 9.1%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Sub-10 nm Precision Engineering of Solid-State Defects via Nanoscale Aperture Array Mask - (제1저자) 한국과학기술연구원 황태연 박사후연구원 - (제1저자) 한국과학기술연구원 이정현 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 정호중 선임연구원 그림 설명 다이아몬드 위에 나노 마스크 제작 과정과 제작된 나노 마스크 제작된 나노 마스크를 이용해 생성한 큐비트의 특성 분석 결과

- 실험실에서 제어할 수 있는 양자시스템을 이용해 분자구조 시뮬레이션 - 구현이 용이한 새로운 양자시뮬레이션 방법론 제시 양자컴퓨터 기술은 양자중첩, 양자얽힘 등 양자현상을 이용, 기존 디지털 컴퓨터로 해결하기 어려운 문제를 단시간에 풀 수 있는 “꿈의 컴퓨터”로 불리며 세계 기술 패권 경쟁의 중심에 있다. 최근에는 기존 디지털 컴퓨터로는 실현할 수 없는 계산 성능, 이른바 ‘양자우위(Qauntum supremacy)’가 발표되면서 구글, IBM 등을 중심으로 양자컴퓨터를 실용적인 분야에 적용하고자 하는 연구가 주목받고 있다. 이런 가운데 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 양자정보연구단 김용수 박사 연구팀이 단일광자의 양자상태를 이용하여 분자의 구조를 계산하는 데 성공했다고 밝혔다. 아직 불완전한 양자컴퓨터의 성능을 보완하기 위해 디지털 컴퓨터의 이점을 함께 사용하는 VQE (Variational Quantum Eigensolver) 알고리즘을 이용하여 분자의 바닥상태 에너지를 계산하는 데 성공한 것이다. VQE의 성능은 양자컴퓨터의 양자연산 공간의 크기에 의해 제한되기 때문에 효율적으로 양자연산 공간의 크기를 확장하기 위한 연구가 필요하다. 연구팀은 단일광자가 가지고 있는 다양한 자유도를 동시에 사용하여 양자연산 공간을 확장함으로써 양자컴퓨터의 연산공간 크기를 수월하게 확장하는 새로운 방법을 제시했다. 다른 물리계와 비교할 때 가장 큰 차이점 가운데 하나는 단일광자는 다양한 자유도(편광, 광경로, 시간, 주파수, 각운동량 등)를 가지고 있으며, 이를 양자정보를 인코딩하는 큐비트로 사용할 수 있다는 점이다. 본 연구에서는 단일광자의 광경로와 편광을 이용해 2 큐비트의 양자연산 공간을 구현하고, 이를 분자의 바닥상태 에너지를 계산하는 VQE 실험에 적용했다. 또한 불완전한 양자컴퓨터가 가지는 양자오류를 효율적으로 보정하기 위한 양자오류 보정 알고리즘을 개발, 적용해 노이즈가 많은 상황에서도 분자의 바닥상태 에너지를 성공적으로 계산할 수 있음을 확인했다. 이번 연구에 주저자로 참여한 이동화, 이진일 학생 연구원은 “이번 연구는 양자컴퓨터의 소프트웨어와 하드웨어, 응용기술을 포함한 모든 기술을 순수 국내기술로 구현했다는데 의의가 있다”고 그 의의를 평가했다. 한편, 교신저자인 김용수 박사는 “광자기반 양자컴퓨터로 계산한 분자는 기존 디지털 컴퓨터로도 충분히 풀 수 있는 수준이지만, 단일광자의 다양한 자유도를 이용해 양자컴퓨터의 연산공간 크기를 효율적으로 확장하는 새로운 방법을 제시한 만큼 향후 실용적인 양자컴퓨터 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 한국연구재단 양자컴퓨팅기술개발사업, 정보통신기획평가원 양자암호통신집적화 및 전송기술고도화 사업으로 수행되었으며, 연구결과는 국제 학술지인 「Optica」 (IF : 11.104, JCR(%) : 5.556%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Error-mitigated photonic variational quantum eigensolver using a single-photon ququart - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이동화 박사과정 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이진일 통합과정 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김용수 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 단일광자를 이용한 VQE 실험 모식도 [그림 2] VQE 실험 결과. 거리에 따른 분자의 바닥상태 에너지 [그림 3] 고전-양자 하이브리드 컴퓨팅을 이용해 분자의 구조 계산을 형상화

- 결함 유발 전사과정 없이 광소자 표면에서 직접 3차원 그래핀 균일하게 합성 - 뛰어난 광특성에도 형상제어 어렵던 그래핀 한계 극복…초고속 광컴퓨터 구현 청신호 메타버스, 마이데이터, 자율주행, AI, 5G 등의 첨단기술이 일상화되는 초연결 시대 실현에는 전제조건이 있다. 폭증하는 데이터 수요를 감당할 초고속 컴퓨팅 기술이다. 이에 따라 전 세계적으로 고집적화에 한계를 보이는 실리콘 반도체를 대체할 신소자 개발이 한창이다. 전기신호 대신 빛으로 데이터를 처리하는 ‘광소자’가 대표적이다. 현재 광소자 개발에는 나노소재, 그중에서도 특히 광학적 특성이 뛰어난 그래핀 도입 시도가 활발하지만 풀어야 할 숙제가 있다. 원자 한 층 수준의 얇은 그래핀을 형태가 복잡한 3차원 광소자 기판으로 옮기는 과정에서 구조적 손상이 발생해 그래핀 특유의 광신호 제어기능이 약화된다는 것이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 광전소재연구단 송용원 박사팀이 한국기계연구원(KIMM, 원장 박상진) 최지연 박사팀과 함께 그래핀 결정의 결손을 초래하는 전사공정 없이 광소자의 미세구조 표면에서 직접 3차원 그래핀을 균일하게 합성하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 또한 실험을 통해 대상 물체의 표면에서 합성된 그래핀과 광신호에 사용되는 레이저의 성공적인 상호작용이 증명되어 광학적 기능을 극대화한 광소자 개발과 집적화에 큰 진전이 기대되고 있다. 탄소 원자들이 육각형 격자구조를 이루는 그래핀은 높은 물리·전기·광학적 특성으로 꿈의 소재라 불린다. 특히 광학적 비선형성이 뛰어나 펨토초(1000조분의 1초) 수준의 매우 빠른 레이저 펄스 광원 형성, 빛에 신호를 싣는 광변조기, 초고속 광스위치 등의 제작에 효과적으로 사용할 수 있다. 그래핀은 일반적으로 구리나 니켈 등의 금속 촉매 표면에서 합성해 코팅과 에칭(etching) 등을 포함하는 전사(transfer) 과정을 거쳐 목표 기재의 표면으로 옮겨진다. 그런데 이런 전사 과정에서 발생하는 불순물 유입, 구조 붕괴 등의 그래핀 품질 저하가 최종적인 소자 성능에 악영향을 미친다. 또한 그래핀은 2차원 평면구조라는 특성 탓에 광소자의 복잡하고 미세한 형상에 맞춰 균일하게 코팅하는 데 어려움이 컸다. 이에 따라 기존에는 레이저의 진행통로 한쪽 면에만 그래핀을 밀착시켜 레이저-그래핀 상호작용을 유도하는 연구가 대부분이었다. 이런 가운데 KIST 연구진은 금속 촉매 대신 세라믹 촉매를 사용하면 촉매 표면뿐만 아니라 가까운 범위 내에 있는 물체의 표면에서도 3차원 그래핀이 균일하게 합성된다는 사실을 알게 됐다. 촉매에서 분해된 전물질(주로 메탄)이 탄소 원자를 생성하는 과정에서 이 탄소 원자가 근접한 광소자의 표면에 안착하며 그래핀이 형성되고, 특히 복잡한 형상의 광소자 표면 구조를 그대로 따라가며 순차적으로 균일한 그래핀이 합성되는 것을 발견한 것이다. KIST 연구진은 이렇게 개발한 3차원 그래핀 합성 공정의 광소자 응용 효과를 검증하기 위해 광섬유로 실험을 했다. 광섬유는 원통형 유전체 도파관으로 코어와 클래드 층으로 구성돼 있다. 이때 코어로 진행하는 레이저는 상대적으로 두꺼운 클래드 층에 둘러싸여 밖으로 나오지 못하는데, 이 클래드 층을 조금씩 제거해 나가면 코어 내의 레이저가 점차 주위 환경에 반응하게 된다. 이 범위에 그래핀이 있으면 광신호가 제어되는 레이저-그래핀 상호작용이 일어나는 것이다. 이에 따라 연구진은 클래드 한쪽 면에 펨토초 레이저로 마이크로미터 단위의 초미세 우물 구조를 만들고, 우물 입구의 세라믹 촉매 표면에서 시작된 3차원 그래핀 합성이 우물 바닥 면까지 매우 균일하게 이어지며 기대했던 수준의 레이저-그래핀 간 상호작용이 구현됨을 확인했다. 이번 연구를 주도한 송용원 KIST 박사는 “3차원 그래핀의 도입으로 기존 광소자에서 불가능했던 광학적 특성의 구현이 가능해졌다”라며 “미래의 광컴퓨팅뿐만 아니라 전자소자와 광소자의 융합을 통해 더 실감이 나는 메타버스와 인공지능 등 첨단기술에서도 세계시장을 선도하는 중요한 역할을 담당할 것으로 기대한다”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 기초연구사업으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 나노기술 분야 국제 저널인 ‘ACS Nano’ (IF: 15.881, JCR 분야 상위 6.138%) 최신 호에 게재되었다. *(논문명) Conformal Graphene Directly Synthesized on a Femtosecond Laser-Scribed In-Fiber Microstructure for High-Energy Ultrafast Optical Pulses - (제 1저자) 한국과학기술연구원 시암 우딘 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 송용원 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 광섬유에 형성된 미세 우물구조 확인과, 그 안쪽 표면을 따라 성장된 그래핀의 품질 확인. 레이저와 상호작용시 산란 손실을 최소화 할 수 있는 균일한 품질 구현. [그림 2] 제작된 그래핀 소자에 의해 동작하는 초고속 펄스 레이저의 구성과 출력 특성. [그림 3] 본 연구진에 의해 구현된 레이저 특성과 기존 타그룹에서 보고된 특성의 비교. 월등히 높은 펄스 에너지를 달성함. 괄호 한의 번호는 각각 원 논문에 기재된 참고문헌 번호임.

- 별도 편광 필터 없는 편광 이미지 센서 개발로 3D 디지털 홀로그램 이미지 구현 - 후속 연구 통해 홀로그래픽 카메라 센서 모듈 전체 소형화 가능 [그림 1] 향후 바이오 응용 홀로그램 모식도 근적외선 영역의 정보인 혈관정보를 촬영하여 3D홀로그램으로 구현한 모습 SF 영화에서만 주로 볼 수 있었던 3D 홀로그램이 일상생활 속에 자주 보이게 될 날이 오고 있다. 지금까지 3D 홀로그램은 3차원 이미지를 저장하여 홀로그램 영상을 만들 수 있는 편광 필터가 포함된 대형 전문 카메라를 사용해야만 촬영할 수 있었는데, 국내 연구진이 스마트 폰과 같은 모바일 기기로도 홀로그램 영상을 구현할 수 있게 하는 요소 기술을 개발했기 때문이다. [그림 2] 연구진이 구현한 3D 홀로그램의 모습, 앞쪽에 ReSe2 뒤쪽에 WSe2글씨를 3차원으로 이미징 하였다. 초점을 앞쪽으로 했을 때는 ReSe2가 선명하게, 뒤쪽으로 했을 때는 WSe2가 선명하게 보인다. 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진)은 광전소재연구단 박민철, 황도경 박사 연구팀이 연세대학교(연세대, 총장 서승환) 물리학과 임성일 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 2차원 반도체 물질인 레늄 디셀레나이드(ReSe2)와 텅스텐 디셀레나이드(WSe2)을 사용해 추가적인 편광 필터 없이도 근적외선에서 빛의 편광을 감지할 수 있는 광다이오드 소자 개발에 성공했으며, 이를 활용하여 3D 디지털 홀로그램을 위한 소형화된 홀로그래픽 이미지 센서를 구현했다고 밝혔다. 빛을 받아 전류 신호로 바꾸어주는 장치인 광다이오드는 디지털카메라, 스마트폰 카메라의 이미지 센서의 픽셀을 구성하는 필수 부품이다. 일반 카메라의 이미지 센서에 빛의 편광을 감지할 수 있는 기능을 추가하면 다양한 정보를 담을 수 있어 3차원 이미지를 저장하는 홀로그래피 기술로 활용할 수 있다. 하지만, 기존에 사용되던 편광 감지 카메라는 1㎛ 미만의 초소형 광다이오드 이미지 센서에 별도의 수백㎛ 크기의 편광 필터를 추가하는 방식이어서 집적화, 소형화가 불가능해 휴대용 전자기기에 사용할 수 없었다. [그림 3] 연구진이 구현한 홀로그래피 시스템 연구진은 근적외선(980 nm) 영역에서 빛의 선형 편광 각도에 따른 광 흡수 차이를 보이는 n형 반도체인 레늄 디셀레나이드(ReSe2)와 편광에 따른 반응성 차이는 없지만 성능이 뛰어난 p형 반도체인 텅스텐 디셀레나이드(WSe2)을 적층하여 광다이오드 소자를 개발했다. 개발한 소자는 자외선부터 근적외선까지 다양한 파장 영역에서 빛을 감지하는 특성이 우수하며, 특히 근적외선 영역의 빛의 편광 특성을 선택적으로 감지할 수 있다. 연구진은 개발한 소자를 통해 편광 특성을 기록할 수 있는 디지털 홀로그램 이미지 센서를 구현, 홀로그램 영상 획득에 성공했다. KIST 황도경 박사는 “최종적으로 홀로그래피 시스템을 소형화하기 위해서는 개별 소자들을 소형화하고 집적화하는 연구가 진행되어야 한다. 이번 연구성과는 향후 홀로그래픽 카메라 센서 모듈 소형화 개발에 기초가 되는 연구이다.”라고 말했다. 또한, 박민철 박사는 “개발된 센서는 기존 가시광 영역대를 벗어나 근적외선 영역대를 감지할 수 있으므로 3차원 야간투시, 자율주행, 바이오, 문화재분석 및 복원을 위한 근적외선 정보 획득 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 지원을 받은 KIST 주요사업과 문화체육관광부(장관 황희)의 지원을 받은 한국콘텐츠진흥원 문화체육관광기술진흥센터의 문화기술연구개발 사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 국제학술지 ‘ACS Nano’(IF : 15.881) 최신 호에 게재되었다. 1)편광필터 : 여러 방향으로 반사하는 보통 빛을 한 방향으로만 반사하는 빛으로 만들어 보내는 필터 2) 2차원 반도체 물질 : 수 나노미터의 원자가 한 겹으로 배열돼 있는 반도체 물질 3) 홀로그래피(Holography) : 물체의 3차원적 영상 정보를 사진 필름 등의 감광 매체에 기록했다가 3차원 영상을 온전히 재생해내는 영상 기록 및 재생법 * (논문명) Near-Infrared Self-Powered Linearly Polarized Photodetection and Digital Incoherent Holography Using WSe2/ReSe2 van der Waals Heterostructure - (제 1저자) 한국과학기술연구원 안종태 박사후연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 고결 학생연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김지훈 전문원(동국대학교 연구교수) - (교신저자) 한국과학기술연구원 박민철 책임연구원 - (교신저자) 연세대학교 임성일 교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 황도경 책임연구원

- 'CROSS: 과학자와 예술가의 옻칠탐험기' 전사 9.29.(수)부터 인사동 KCDF에서 열려 - 옻칠의 기준이 될 성능지표와 옻칠 신소재 발표 2019년 밀양 신안 유적에서 발굴된 5,000년 전 신석기 시대 토기에서 옻의 주성분인 우루시올이 발견되었다. 최근 옻칠은 아름다운 색깔과 내구성으로 고급 자동차 마감재, 우주선 부품의 코팅제로 사용되는 등 친환경 재료로 주목받고 있다. 옻칠의 개발은 첨단산업 기술로의 확장 가능성이 크고 우리 전통문화를 활성화할 수 있다는 장점이 있지만, 작업 조건이 까다롭고 색채가 다양하지 못하여 응용이 한정적이었다. 또한 옻칠 특성에 대한 과학적 지식이 부족하고 특성 평가 기준이 없어 제품 신뢰성을 확보하기 어려웠다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 광주과학기술원(GIST), 숙명여자대학교, 지천옻칠아트센터와 공동으로 2021년 9월 29일(수)~10월 4일(월) 6일간 인사동 KCDF 갤러리에서 ‘CROSS : 과학자와 예술가의 옻칠탐험기’ 전시회를 개최한다고 밝혔다. 이번 전시회는 옻칠의 역사를 소개하거나 작품을 선보이는 것을 넘어 과학적 평가 방법에 기반한 옻칠 소재 특성을 소개하고, 과학자와 예술가가 협업하여 개발한 기능성 옻칠 소재를 처음으로 공개하는 자리다. 연구진은 산지, 우루시올의 양, 정제, 경화, 도장, 발색에 따른 옻칠의 성능을 과학적으로 규명하였다. 일반적으로 옻칠을 구성하는 주요 성분인 우루시올의 함량이 높을수록 좋은 옻칠이라고 알고 있지만, 우루시올 함량과 실제 옻칠 막 특성의 상관관계에 대해서는 알려지지 않았다. 연구진은 옻칠을 구성하는 주요 성분인 카테콜 지방 분자의 종류와 함량에 따라 건조시간, 투과도, 접착력, 경도 등 옻칠 막의 물리적 특성이 달라지는 것을 밝혔다. 이러한 성과는 생산 수종 및 소재별로 옻칠이 다양한 물리적 특성을 보일 수 있으며, 사용자들이 필요에 따라 용도에 맞는 옻칠을 선택하여 사용할 수 있다는 새로운 가능성을 제시한다. 전시의 또 다른 하이라이트는 기능성 옻칠 소재를 사용한 공예 회화 작품이다. 일반적으로 옻칠이라고 하면 암갈색 빛이 도는 나무 공예품을 떠올린다. 이번 전시에서는 선을 그으면 전선이 되는 옻칠, 점토처럼 주물러 기물을 만드는 옻칠, 빛을 받으면 빠르게 굳고, 굳어도 유연하게 구부러지는 옻칠, 특정 색의 빛 파장을 반사하는 옻칠 등 새로 개발된 기능성 옻칠 소재가 소개된다. 지천 김은경 작가(지천옻칠아트센터 대표)가 기능성 옻칠을 사용한 공예와 회화 40여 점으로 다양한 활용 사례를 보여준다. 기능성 옻칠 소재는 온도와 습도에 민감한 옻칠을 편리하게 사용하고 다양한 색과 모양으로 만드는 등 예술적 표현을 확장하기 위해 개발되었으나, 이 외에도 친환경 방수제, 방부제, 방충제, 방염 및 절연제 등 각종 산업 분야에서도 폭넓은 활용이 기대된다. KIST는 조상들의 삶의 지혜와 얼이 서린 전통 기술의 과학적 원리를 새롭게 규명해 그 가치를 재발견하고 고부가가치 전통문화사업의 발전은 물론 현대과학기술이 접목된 새로운 문화적 전통의 창조를 위해 전통문화 과학기술연구에 힘쓰고 있다. 연구팀(KIST 이상수 박사·임정아 박사, 숙명여자대학교 임호선 교수, GIST 이은지 교수, 지천옻칠아트센터 김은경 대표)을 이끈 이상수 박사는 "옻칠에 대한 탐구는 이제 시작"이라며 "이번 전시에서 옻칠이 지닌 전통적 문화콘텐츠로서의 위상을 다시 확인하고 옻칠의 공예/회화로의 다양한 활용을 제안할 수 있다”며, “옻칠은 친환경 고분자 소재의 관점에서 다양한 소재 기술과의 융합을 통해 옻칠 소재의 첨단 과학기술 분야로 확장 또한 기대할 수 있다”고 밝혔다. ‘CROSS, 과학자와 예술가의 옻칠탐험기’는 인사동 KCDF 갤러리에서 9.29일(수)부터 6일간 전시를 마친 후, 경북 상주의 지천옻칠아트센터 갤러리에서 10월 6일(수)부터 연말까지 전시를 이어갈 예정이다. 코로나19의 사회적 거리두기 방역 지침에 따라 별도의 오프닝 행사 없이, 시간당 한정된 관람객 수만 입장이 가능하다. 이번 연구는 문화체육관광부(장관 황희)와 한국콘텐츠진흥원(원장 김영준)의 문화기술 연구개발사업으로 수행되었다.

- 광자가 동시에 여러 장소에 존재할 수 있는 '얽힘' 양자 상태 구현 - 양자 현상을 이용해 고전적 한계를 뛰어넘는 정확도의 양자 센서 구현 4차 산업 혁명에는 고감도 센서에 의한 데이터 정밀 측정 및 이미지, 영상 확보가 중요하다. 이를 위해서는 실시간으로 변화하는 사물의 위치, 온도, 시간 등 다양한 물리량을 높은 정밀도로 측정할 수 있어야 하는데, 양자 현상(중첩, 얽힘)을 이용하면 고전 센서로는 측정할 수 없는 값을 측정하거나 측정 정밀도를 높일 수 있다. 이러한 양자 센서 연구는 양자컴퓨터, 양자통신 연구와 함께 양자정보기술의 주요 응용 분야이며, 미국과 중국을 중심으로 기술 패권 경쟁이 치열하게 전개되고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 양자정보연구단 임향택 박사팀이 실시간으로 변화하는 여러 개의 물리량을 고전적인 한계를 뛰어넘는 높은 정밀도로 측정할 수 있는 양자 센서를 구현했다고 밝혔다. KIST 연구진은 실시간으로 변화하는 여러 개의 물리량을 높은 정밀도로 측정할 수 있는 양자 상태인 ‘다중 모드 N00N 상태’를 구현하였다. ‘다중 모드 N00N 상태’는 이론적으로 가장 높은 정밀도를 주는 것으로 알려져 있었지만 구현에 어려움이 있었다. 연구진은 2개의 광자가 4개의 경로로 동시에 진행하고 있는 얽힘 상태인 다중 모드 N00N 상태를 실험적으로 생성하고, 이를 간섭계에 적용함으로써 간섭계가 갖는 여러 개의 위상의 변화량을 고전적 한계를 뛰어넘는 높은 정밀도로 동시에 측정하는 데 성공하였다. 본 연구를 주도한 KIST 임향택 박사는 “이번 성과의 핵심 기술인 ‘다중 모드 N00N 상태’는 양자 이미징, 양자 센서 네트워크 등의 기반 기술로 활용되어 양자센싱 분야의 발전에 기여할 수 있을 것”이라며, “구체적으로는 고성능 양자 현미경, 바이오 이미징 센서 등에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 암혜숙)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 한국연구재단 양자컴퓨팅기술개발사업, 기초연구사업-우수신진연구, 정보통신기획평가원 양자암호통신집적화 및 전송기술고도화 사업으로 수행되었으며, 연구결과는 국제 학술지인 「Nature Communications」 (IF : 14.919, JCR(%) : 4.795 %) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Quantum enhanced multiple-phase estimation with multi-mode N00N states - (제 1저자) 한국과학기술연구원 홍성진 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 임향택 선임연구원 그림 설명 [그림 1] 다중 모드 N00N 상태 생성 방법 [그림 2] 고전적인 방법 (Coherent state) 과 다중 모드 N00N 상태의 측정 불확실도 비교