20HB1200, A Generic Technology Study for Quantum Photonic Integrated Circuits,
Ju Jung Jin
Abstract
연구의 목적 및 내용 최종 목표 ㅇ 4 큐비트 동작 광집적회로 원천기술 연구 - 광자 및 실리콘을 이용한 다중 큐비트 생성/제어/측정용 단위소자 구현과 다중 큐비트 간 광자를 이용한 양자정보 얽힘생성, 양자게이트 연산을 수행하는 광집적회로 모듈 구현
전체 내용 ㅇ 확정적 단일광자 어레이 광원기술 - 화합물 반도체 양자점 top-down 방식 위치제어 및 저밀도 양자점 성장 - 가변 공진기 집적 단일광자 어레이 광원 칩 설계 및 제작 - 공진기 구조 단일광자 쌍 생성기술 및 광도파로 결합 효율 최적화 기술 개발 ㅇ 고효율 단일광자 어레이 검출기 기술 - 증폭층 및 이온화계수 엔지니어링을 통한 고효율 단일광자 광검출기 에피설계 최적화 - 낮은 암계수 및 afterpulse 효과 확보를 위한 고순도의 에피 성장 및 공정기술 - 저온 동작 고효율 다채널 단일광자 광검출기 칩/모듈 제작 및 특성평가 ㅇ 실리콘 반도체 큐비트 기술 - 고순도 실리콘(Si) 기판 확보 및 에피층 성장기술 - P 이온주입기술, 단일 양자점 큐비트 공정 및 제어 기술 - 2 큐비트 양자 얽힘 회로기술 및 얽힘 동작 fidelity 향상 측정기술 ㅇ 광집적회로 기반 양자 게이트 회로기술 - 저손실 광도파로 기반 다중 큐비트 양자얽힘 구현 광집적회로 제작 및 특성평가 - 광 도파로 기반 열광학 효과를 이용한 양자 게이트 제어회로 제작 및 특성평가 - 어레이 단일광자 광원 및 검출기, 양자 얽힘, 양자게이트 소자 집적회로 제작 및 특성평가
연구개발성과 ㅇ 확정적 단일광자 어레이 광원기술 - InP 반도체 양자점을 이용하여 단일광자 생성에 필요한 에피성장, 소자 설계 및 제작, 특성평가를 수행하여 양자광원 소자로 활용 가능한 g(2)~0.042 수준의 확정적 단일광자 생성 기술을 확보함 ㅇ 고효율 단일광자 어레이 검출기 기술 - InGaAs/InP SPAD(Single Photon Avalanche Diode) 단일광자 검출기 에피성장, 소자 설계 및 제작, 특성평가를 수행하여 광통신파장대역에서 30% 이상의 검출효율과 10 ppm 암전류 발생확률을 가지는 고효율 단일광자 어레이 검출기 모듈을 개발함 ㅇ 실리콘 반도체 큐비트 기술 - 실리콘 큐비트 공정 기술을 연구하여 나노 스케일 전극구조 설계, 전자빔 리소그래피 공정에 의한 최소 선폭 10nm급 전극 구조 패터닝 및 Au, Al 전극 증착 공정, 5mm x 5mm 큐비트 소자 칩 설계 및 공정, 31P Ion Implantation 공정, SOI(Silicon on Insulator) 기반 단일 전자 트랜지스터 소자 제작 등 실리콘 반도체 P-donor 큐비트 기반 양자 컴퓨터 연구의 기초기술을 확보함
ㅇ 광집적회로 기반 양자 게이트 회로기술 - 단일광자 생성을 위한 사광파혼합 실리콘 광도파로 소자 설계, 제작, 특성평가 기술을 확보하여 단일광자 기반의 경로 큐비트 생성/제어 기술을 개발함 - 선형광학 기반 광집적회로를 이용한 양자 게이트 소자 설계, 제작, 특성평가 기술을 확보하여 국내 최초로 광집적회로 기반 양자 게이트 칩 및 모듈을 개발하여 게이트 동작 신뢰도 81% 구현 성과를 달성함 - 광집적회로 양자소자를 이용한 양자 간섭을 위한 구별되지 않는 얽힘광자쌍 큐비트 생성기술을 확보하여 Hong-Ou-Mandel(HOM) 양자간섭을 측정한 결과 86%의 visibility 특성을 확보하는 성과를 달성함 - 두 개의 2 큐비트 광자쌍 발생 장치 조합을 통한 4 큐비트 광자 발생 구현함
연구개발성과의 활용계획(기대효과) ㅇ 실용적 양자컴퓨터는 양자오류보정기술이 포함된 로직회로 구현을 목표로 개발이 진행되고 있어 광집적회로 기술은 로직회로 구현을 위한 기반 기술인 물리적 다중 큐비트 기술로 활용 ㅇ 양자컴퓨터 확장성 구현을 위한 기반 기술로 광자 기술은 양자컴퓨터 네트워크의 확장 가능한 플랫폼 기술로 활용 ㅇ 반도체 및 광자를 이용한 집적회로 기반 큐비트 소자 기술은 이미 성숙된 반도체 및 광집적회로 산업의 기반 기술을 그대로 사용할 수 있기 때문에 국내의 우수한 인프라를 활용하여 양자컴퓨터 보편화에 활용될 것으로 기대 ㅇ 단일광자 양자 광원은 양자컴퓨터의 핵심이 되는 큐비트 생성기술로서 양자 ICT 전 분야에서 국가적 기술경쟁력 확보에 기여 ㅇ 광 및 반도체 기반의 집적회로 기술은 소형화, 안정성, 고속화, 소모전력 등에서 경쟁기술 보다 우수한 특징을 가지고 있어 범용 양자컴퓨터 기술로 성장 가능 ㅇ 양자컴퓨팅 기술은 ICT 산업의 파괴적 혁신기술로서 차세대 ICT 산업 경쟁력 확보를 통한 국가 과학기술 경쟁력 향상에 기여 ㅇ 초고속연산, 고효율 빅데이터 검색을 통해 차세대 ICT 산업경쟁력 강화 및 의료, 에너지, 보안, 그리고 환경 분야에 다양한 신성장 산업을 창출할 것으로 기대
(출처 : 요약문 5p)
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J. Kim et. al, "Trends in Lightweight Kernel for Many core Based High-Performance Computing", Electronics and Telecommunications Trends. Vol. 32, No. 4, 2017, KOGL Type 4: Source Indication + Commercial Use Prohibition + Change Prohibition
J. Sim et.al, “the Fourth Industrial Revolution and ICT – IDX Strategy for leading the Fourth Industrial Revolution”, ETRI Insight, 2017, KOGL Type 4: Source Indication + Commercial Use Prohibition + Change Prohibition
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