마그논 기반 하이브리드 소자, 이종 양자컴퓨터 연결 가능성 열어

마그논이란 무엇인가

마그논은 니켈·철 같은 자성 물질 내부의 전자 스핀이 교란될 때 발생하는 스핀파(spin wave)를 양자역학적으로 기술하는 준입자(quasiparticle)다. 핵심 특성은 스핀파가 전하를 이동시키지 않는다는 점이다. 전하 이동이 없으면 전기 저항에 의한 열 손실, 즉 저항 손실(ohmic loss)이 발생하지 않는다. 현대 반도체 소자에서 CPU가 발열하는 주된 원인이 바로 이 저항 손실이며, 마그노닉 소자는 이 문제를 원천적으로 회피할 수 있다. 정보 전송 시 전자가 움직이지 않아도 자기적 상호작용을 통해 에너지가 전달된다는 점이 저전력 소자 연구의 동력이 되고 있다.

두 편의 연구 성과

첫 번째 연구(arXiv, 제1저자 Yu Jiang)에서는 강하게 쌍안정적인 비선형 마그노닉 공진기 안에서 초광대역 주파수 빗살(frequency comb)을 생성하는 방법을 제시했다. 이를 통해 단일 칩 위에 300개가 넘는 마이크로파 소스를 배치하는 구조가 가능해진다. 두 번째 연구(Physical Review Letters, 제1저자 Amin Pishehvar)에서는 Floquet 공학을 적용해 합성 마그노닉 격자(synthetic magnonic lattice)를 실험적으로 구현했다. 이 접근법은 마그노닉 시스템을 현장 배치 환경에 맞게 조정하기 쉽게 만드는 데 초점을 두고 있다.

하이브리드 소자: 마그노닉스와 음향파의 결합

마그노닉 소자만으로는 활용 범위가 연구 도메인에 한정된다는 것이 연구팀의 판단이다. 이에 따라 스핀파를 마이크로파, 음향파 등 다른 정보 채널과 결합한 하이브리드 마그노닉 소자를 개발하고 있다. 음향파는 스마트폰의 주파수 필터로 이미 널리 쓰이지만 조정 유연성이 낮다. 반면 마그노닉 소자는 조정성(tunability)이 높다. 두 특성을 결합하면 협대역 필터를 유연하게 조정할 수 있는 소자를 만들 수 있다. 연구팀은 자석, 빛, 음향파 사이의 상호작용을 증폭하고 온디맨드로 제어하는 새로운 설계 방향을 모색 중이다.

양자컴퓨터 연결 가능성과 한계

이 연구의 파급 영역 가운데 하나가 양자컴퓨터 간 연결 문제다. 현재 양자컴퓨터는 서로 다른 물리적 플랫폼(초전도, 이온트랩, 광자계 등) 사이에 정보를 교환하는 효율적인 수단이 부족하다. 장 교수는 마그논이 이종 양자계를 매개하는 역할을 할 수 있다고 보고 있다. 다만 이 연구는 아직 기초 소자 단계에 머물러 있으며, 실제 양자컴퓨터 간 통신을 구현하기까지는 소자 잡음 제어, 온도 환경, 집적도 향상 등 여러 공학적 과제가 남아 있다. 스마트폰 수신 성능 개선, MRI 정밀도 향상, 암흑물질 탐색 등 근거리 응용과의 연계도 거론되고 있으나, 모두 개념 증명 단계를 넘지 않은 상태다.