기초과학연구원(IBS, 원장 직무대행 김영덕)은 양자정보과학 분야의 세계적인 석학 김기환 중국 칭화대학교(Tsinghua University) 물리학과 교수(만 52세)를 트랩이온 양자과학 연구단장으로 선임했다. IBS 대전 본원에 위치한 트랩이온 양자과학 연구단은 12월 29일자로 출범해 연구에 착수했다. 김기환 신임 단장은 칭화대 정교수직을 사임하고 IBS 단장으로 연구에 전념하며, 칭화대 방문 교수로서 연구 협력도 이어갈 예정이다.

김 신임 단장은 포획된 이온의 내부 에너지 상태를‘큐비트(Qubit)¹⁾’로 사용하며, 레이저로 상태 제어와 측정을 수행하는 이온트랩 방식으로 양자 시스템의 한계에 대한 이해를 넓히고, 양자 컴퓨터·양자 시뮬레이터·양자 계측 등 다양한 양자 플랫폼 개발을 선도해 온 세계적인 연구자다. 김 신임 단장은 서울대학교 물리학 박사 학위 취득 후, 서울대학교와 오스트리아 인스부르크 대학(University of Innsbruck), 미국 메릴랜드 대학(University of Maryland)에서 박사후연구원으로 연구를 수행했으며, 2011년부터는 칭화대학교 물리학과 교수로 재임하며 활발한 연구 활동을 이어왔다.

양자정보과학은 양자역학의 중첩·얽힘 같은 성질을 정보의 저장 처리 전달에 활용하는 학문으로, 양자정보과학을 구현할 수 있는 다양한 플랫폼 중에서도 김 신임 단장의 전문 분야인 이온 트랩 시스템은 가장 긴 큐비트 결맞음 시간²⁾을 유지하며, 정밀도와 정확도가 뛰어난 양자 연산을 제공하는 대표적인 기술이다. 이 분야에서 김 신임 단장은 이온을 이용해 양자정보를 오래, 정확하게 다루는 핵심 기술들을 잇달아 선보이며 국제 학계를 이끌어 왔다. 대표적으로 단일 이온 큐비트의 정보를 매우 오래 유지하는 ‘결맞음 시간’을 세계 최고 수준으로 늘렸고(Nature Communications, 2021), 여러 큐비트를 한꺼번에 서로 얽히게 만들어 동시에 연산할 수 있는 ‘올투올(all-to-all) 얽힘 게이트’를 구현했다(Nature, 2019). 또한 이온의 진동(포논)을 정보 전달 통로로 활용하는 ‘포논 네트워크(phonon network)’를 개발해 대규모 확장 가능성을 제시했으며(Nature Physics, 2023), 2차원 격자 구조에서 양자시뮬레이션을 실현해 복잡한 양자현상을 실험으로 재현하는 길을 열었다(Nature Physics, 2024). 더불어 서로 다른 이온종을 함께 사용해 더 정밀한 양자 측정 방법을 제안하는 등(Nature Communications, 2024) 핵심 성과를 통해 선도적 연구자로 확고히 자리매김해 왔다.

연구단은 트랩 이온 기술을 바탕으로, 양자 세계를 ‘원하는 대로’, 즉 초기화·조작·측정을 정밀하게 수행할 수 있는 대규모 양자 시스템을 구축하는 것을 목표로 한다. 이를 통해 개별 이온을 초정밀하게 제어하는 작은 양자장치에서 출발해 점차 규모를 키워 나가며, 양자 시스템의 규모와 연산 능력이 어디까지 확장될 수 있는지 근본적인 질문에 답하고자 한다.

이를 위해 연구단은 안정적이고 정교한 최첨단 트랩 이온 플랫폼을 구축·고도화하고, 양자컴퓨터와 양자 시뮬레이터 기술을 발전시켜 나갈 계획이다. 궁극적으로는 기존 컴퓨터의 한계를 뛰어넘는 양자정보과학의 가능성을 현실 기술과 성과로 구현해, 새로운 연구와 혁신의 길을 열겠다는 구상이다.

한편, IBS는 이번 연구단 출범과 함께 본원에 ‘양자정보과학 클러스터’를 구축하여 관련 연구단을 추가로 확충해 나갈 계획이다. 트랩이온 양자과학 연구단은 연구클러스터의 방향성을 제시하고, 향후 연구단 간 협력을 이끄는 중심 역할을 수행하게 된다.

김 신임 단장은 “IBS는 장기적인 관점에서 근본적인 질문에 집중할 수 있는 연구 환경을 갖춘 기관이라고 생각한다. 양자정보과학의 기초를 더욱 깊이 탐구하는 동시에 젊은 연구자들이 국제 무대에서 성장할 수 있는 기반을 마련하고자 한다”고 말했다.

김영덕 IBS 원장 직무대행은 “김 단장이 국내 연구계에 복귀한 일은 신진 연구자들의 성장 기반을 다질 수 있다는 점에서도 의미가 크다”고 밝혔다.

1) 큐비트(Qubit) : 큐비트는 일반 비트(0 또는 1)와 달리 0과 1의 중첩 상태로 존재할 수 있는 양자정보의 기본 단위이며, 측정하면 0 또는 1 중 하나로 나타난다.

2) 결맞음 시간 : 큐비트가 외부 교란 없이 본래의 양자 상태를 유지하는 시간으로, 양자컴퓨터의 성능과 연산 정확도를 좌우하는 핵심 지표다. 결맞음 시간이 길수록 안정적인 양자 연산이 가능하다.