NSF, UC샌디에고에 양자소재 연구센터 6년 1,800만 달러 지원

전국 6개 MRSEC에 1억 800만 달러 배분

NSF는 이번 1억 800만 달러 투자를 통해 미국 내 6개 소재연구과학공학센터(MRSEC)를 신규 또는 갱신 지원한다. 수혜 기관은 UC샌디에고 외에도 프린스턴대, 하버드대, 컬럼비아대, MIT, 네브래스카-링컨대 등으로, 양자 메타물질·연성물질·마이크로전자공학 분야의 최전선 연구를 담당하게 된다. UC샌디에고에 배분된 1,800만 달러(과제번호 NSF #2614051)는 2020년 최초 MRSEC 지원의 경쟁 갱신으로, 센터의 핵심 연구 방향을 생체소재·고분자화학에서 양자기술 하드웨어 소재로 전환한 결과다.

두 가지 핵심 연구 축

1. 양자 메타물질 기반 전광(all-optical) 처리 전기컴퓨터공학과 Zhaowei Liu 교수와 물리학과 Richard Averitt 교수가 공동 이끄는 이 연구 축은 나노미터 수준의 광학 구조물을 하향식이 아닌 화학적 자기조립(bottom-up self-assembly) 방식으로 제작한다. 이를 통해 형성된 나노광학 우물 및 플라스모닉 구조체는 초고속 적외선 펄스를 가시광선으로 변환하는 효율이 기존 금속 구조물 대비 1,000배 이상 높다. 목표 응용 분야는 전광 양자신호 처리, 나노포토닉스, 저지연 AI 컴퓨팅 인프라다.

2. 화학적 맞춤형 2차원 초격자 소재 화학과 Joshua Figueroa 교수와 물리학과 Monica Allen 교수가 공동 주도하는 이 축은 원자 두께의 2차원 소재 내 전자 양자상태를 제어하는 데 초점을 맞춘다. 유기금속 빌딩블록을 합성해 다층 초격자를 구성하고, 저온 마이크로파 이미징으로 위상학적 절연체·2차원 초전도체·층상 반도체의 전자 위상을 분석한다. 이를 통해 저전력 양자전자소자와 견고한 큐비트 상호연결 구조 개발을 목표로 한다.

계산 모델링과 인력 양성 인프라

방대한 화학적 탐색 공간에서 후보 소재를 빠르게 걸러내기 위해 센터는 나노공학과 Tod Pascal 교수가 이끄는 MesoMaterials 설계 계산시설을 운영한다. 제1원리 양자 시뮬레이션 데이터로 훈련된 머신러닝 알고리즘을 샌디에고 슈퍼컴퓨터센터(SDSC)와의 협력 하에 활용해 실험 합성 주기를 단축한다. 동시에 소재특성분석시설(MCF)과 RIMSE 인력 양성 프로그램을 통해 편입학생·대학원생·산업 파트너를 대상으로 고급 양자 실험 장비 및 계산 방법론 교육을 제공한다.

의미와 한계

이번 지원은 양자기술 하드웨어의 성능을 좌우하는 소재 기반 연구에 연방 자금이 조직적으로 투입된다는 점에서 주목된다. 특히 2차원 초격자와 위상학적 소재는 차세대 큐비트 소자 및 저전력 양자전자공학의 핵심 후보군으로 꼽힌다. 다만 센터가 제시한 1,000배 변환 효율 등의 수치는 실험실 수준의 성과이며, 실제 양자컴퓨팅 시스템 통합까지는 상당한 기술적 간극이 남아 있다. UC어바인·UCLA·UC샌타바버라와의 지역 협력 구도가 연구 시너지로 이어질지도 향후 관찰이 필요하다.