이온포획 기반 양자컴퓨터는 현재 가장 유망한 양자컴퓨팅 플랫폼 중 하나로, 긴 코히런스 시간, 높은 게이트 충실도, 그리고 큐비트 간의 전면적 연결성을 제공합니다. 본 연구실에서는 전자기장 내에 이온을 가두고, 이온의 내부 에너지 준위를 큐비트 상태로 활용하여 정밀한 양자 연산을 수행합니다. 마이크로파 또는 레이저를 이용한 정밀 제어를 통해 큐비트의 상태를 조작하며, 이온 간의 쿨롱 반발력을 이용해 큐비트 간 얽힘을 생성합니다. 연구실은 대규모 이온체인 구현, 표면 트랩 설계, 그리고 다양한 이온종(Yb, Ba 등)을 활용한 다중종 이온포획 시스템 개발에 집중하고 있습니다. 또한, 이온트랩 칩의 미세구조 설계와 MEMS 기반의 칩 제작 기술을 통해 하드웨어의 확장성과 신뢰성을 높이고 있습니다. 이러한 하드웨어 연구는 양자컴퓨터의 실질적 양자 우위 달성을 위한 기반을 마련합니다. 이온포획 시스템의 성능을 극대화하기 위해 저온 이온트랩, 다중 금속층 구조, 오버행 구조 등 다양한 혁신적 설계를 도입하고 있으며, 실험적으로는 80개 이상의 이온을 2시간 이상 안정적으로 트랩하는 데 성공하였습니다. 앞으로는 5큐비트 이상의 완전 연결 시스템, 이온 이동 및 개별 제어, 그리고 양자게이트의 고충실도 구현을 목표로 하고 있습니다.

양자 네트워크는 양자컴퓨터의 확장성과 보안성을 극대화할 수 있는 핵심 기술입니다. 본 연구실에서는 이온포획 시스템을 기반으로 한 양자 네트워크 구현에 주력하고 있으며, 이온-광자 얽힘을 활용한 모듈형 네트워크 아키텍처를 개발하고 있습니다. 이를 통해 분산된 양자노드 간의 양자정보 전송 및 원격 얽힘 생성이 가능해집니다. 특히, 양자 중계기(quantum repeater) 노드 개발, 양자 주파수 변환(Quantum Frequency Conversion, QFC) 기술, 그리고 장거리 광섬유 통신을 위한 자외선-통신대역 변환 연구를 수행하고 있습니다. 최근에는 174Yb 이온에서 방출된 두 광자의 Hong-Ou-Mandel 간섭을 성공적으로 관측하였고, 원격 이온 큐비트 간의 얽힘 생성에도 성공하였습니다. 이러한 연구는 대규모 양자 네트워크 및 양자 인터넷 실현의 초석이 됩니다. 양자 네트워크의 신뢰성과 효율성을 높이기 위해, 실시간 피드백이 가능한 신호 복호화 알고리즘, 하드웨어 최적화된 양자 오류정정 코드, 그리고 다중종 이온체인 기반의 이질적 네트워크 구성 등 다양한 주제를 다루고 있습니다. 이를 통해 안전한 양자통신, 분산 양자컴퓨팅, 그리고 미래의 양자 인터넷 구축에 기여하고 있습니다.

양자컴퓨터의 실용화를 위해서는 양자 오류정정(Quantum Error Correction, QEC)이 필수적입니다. 본 연구실은 이온트랩 하드웨어의 특성에 최적화된 오류정정 코드와 회로를 설계하고, 실제 하드웨어에서의 오류율, 런타임, 큐비트 수 등 다양한 성능 지표를 분석합니다. 또한, 신속한 실시간 피드백을 위한 신호 복호화(디코더) 알고리즘, 머신러닝 기반 디코더, 그리고 토폴로지 코드 등 다양한 오류정정 기법을 연구하고 있습니다. 양자 알고리즘 측면에서는 Shor 알고리즘, Grover 탐색 알고리즘 등 기존의 대표적 양자 알고리즘뿐만 아니라, 하드웨어 특성에 맞춘 새로운 알고리즘 개발에도 집중하고 있습니다. 특히, 파라미터화된 양자회로와 변분 양자 고유값 추정기(Variational Quantum Eigensolver, VQE) 등 양자기계학습(Quantum Machine Learning) 분야의 연구도 활발히 이루어지고 있습니다. 이러한 연구는 양자컴퓨터의 신뢰성, 확장성, 그리고 실제 문제 해결 능력을 높이는 데 핵심적인 역할을 하며, 실험적 검증과 시뮬레이션을 통해 이론과 실험의 통합적 발전을 추구하고 있습니다.

양자컴퓨터의 대규모화와 실용화를 위해서는 하드웨어의 집적화와 대량생산이 필수적입니다. 본 연구실은 MEMS 기반의 이온트랩 칩 제작, 다중 금속층 구조, 오버행 구조, 투명 전도성 산화물(TCO) 등 첨단 소재와 공정 기술을 활용하여 차세대 이온트랩 칩을 개발하고 있습니다. 이를 통해 이온트랩의 안정성, 코히런스 시간, 제어 정밀도를 크게 향상시키고 있습니다. 또한, 광자소자의 집적화 연구도 활발히 진행 중입니다. 웨이브가이드, 그레이팅 커플러 등 나노미터 단위의 광자소자를 이온트랩 칩 내에 직접 집적하여, 효율적인 광 신호 전달과 양자정보의 입출력을 실현하고 있습니다. 전자빔 리소그래피 등 첨단 나노가공 기술을 활용하여 고충실도의 광자 구조를 구현하고, 이온-광자 상호작용의 효율을 극대화합니다. 이러한 집적화 및 칩 제작 기술은 양자컴퓨터의 대규모 확장, 신뢰성 있는 양자연산, 그리고 양자 네트워크와의 통합에 필수적인 기반 기술로, 국내외 다양한 연구기관 및 산업체와의 협력을 통해 지속적으로 발전시키고 있습니다.