김준기 연구실의 핵심 축 가운데 하나는 이온포획 기술을 기반으로 한 양자컴퓨팅 플랫폼의 구현이다. 연구실은 개별 이온을 안정적으로 가두고, 이를 큐비트로 활용하여 정밀한 상태 초기화·제어·측정을 수행하는 실험적 양자정보 연구를 전개하고 있다. 특히 다중 큐비트의 개별 제어, 고신뢰도 양자게이트, 확장 가능한 하드웨어 구조를 동시에 고려하는 점이 특징이며, 기초 원자물리와 실제 양자컴퓨터 개발을 연결하는 연구 방향을 보인다. 세부적으로는 3차원 이온포획 구조, 이온 셔틀링, 다중 연산 영역 아키텍처, 양자 CCD 개념 등 확장형 설계를 포함한 시스템 수준의 연구가 활발하다. 풀 스택 5큐비트 이온포획 양자컴퓨터 개발, 다중 큐비트 개별 제어 기술, 준안정 상태를 활용한 큐비트·큐디트 듀얼 프로세서 연구 등은 이 연구실이 단순한 단일 장치 제작을 넘어 연산 구조와 제어 체계까지 통합적으로 다루고 있음을 보여준다. 또한 마이크로파 신호 생성 및 처리장치 개발 과제를 통해 RF 프론트엔드와 FPGA 기반 제어 모듈까지 연구 범위를 확장하고 있어, 양자 하드웨어와 제어 전자계의 결합 역량도 두드러진다. 이러한 연구는 중장기적으로 확장 가능한 양자프로세서의 실현과 국내 양자컴퓨팅 생태계 구축에 중요한 기반이 된다. 이온포획 플랫폼은 높은 정밀도와 우수한 코히런스 특성으로 인해 범용 양자컴퓨팅의 유력 후보로 평가되며, 연구실은 이를 실제 작동 가능한 시스템으로 발전시키는 데 필요한 핵심 기술을 축적하고 있다. 향후에는 더 많은 큐비트 수, 높은 게이트 충실도, 집적 광학 및 전자 제어의 고도화가 결합되면서 실용적 양자연산과 양자시뮬레이션으로 이어질 가능성이 크다.

이 연구실은 원자분자물리와 양자광학을 바탕으로 빛과 물질의 상호작용을 정밀하게 제어하는 연구를 수행한다. 특히 공동 방출과 집단적 결맞음 현상에 주목하여, 개별 원자 수준의 조작이 거시적 광학 현상으로 어떻게 확장되는지를 탐구한다. 이는 양자정보 구현의 기초 물리 이해를 심화하는 동시에, 차세대 양자광학 소자와 광자 기반 에너지 변환 메커니즘에 대한 새로운 가능성을 제시한다. 대표적으로 단일 원자의 상관관계를 정밀하게 설계하여 공동 광자 방출을 구현한 초방사 연구, 초방사의 시간역전 개념으로 초흡수를 실현한 연구, 그리고 초방사를 구동원으로 사용하는 광자 양자엔진 연구는 이 연구실의 학문적 정체성을 잘 보여준다. Science 및 Nature Photonics 등에 발표된 성과들은 공동성, 위상 정렬, 공진기 양자전기역학, 결맞음 제어가 핵심 방법론임을 보여준다. 이러한 연구는 단순한 현상 관찰을 넘어, 양자열역학과 양자광학의 접점에서 에너지 흐름과 정보의 역할을 실험적으로 검증하는 수준까지 나아가고 있다. 이 분야의 연구는 양자센싱, 양자통신, 광자 기반 양자장치 등 다양한 응용으로 연결될 수 있다. 초방사와 초흡수처럼 집단적 양자효과를 정교하게 제어할 수 있다면, 기존 광학 시스템보다 높은 효율과 새로운 기능을 갖는 광자 장치를 설계할 수 있기 때문이다. 더 나아가 연구실의 양자광학 연구는 이온트랩 기반 양자정보 플랫폼과도 맞물려, 원자 수준의 제어 정확도를 실제 양자기술의 성능 향상으로 연결하는 기반 연구 역할을 수행한다.

김준기 연구실은 양자컴퓨터를 개별 장치 수준에 머무르게 하지 않고, 서로 연결 가능한 네트워크형 양자시스템으로 확장하는 연구도 수행하고 있다. 이온트랩 기반 양자메모리와 원거리 얽힘 기술은 이러한 비전의 핵심 요소이며, 연구실은 결맞음 시간이 긴 저장 매체와 광자 인터페이스를 활용해 분산형 양자정보 처리를 가능하게 하는 기반 기술을 개발하고 있다. 이는 향후 양자인터넷과 대규모 분산 양자연산을 위한 필수 연구 주제다. 연구 과제에서는 포획된 이온과 광 공진기를 결합하여 결맞음 시간이 향상된 양자메모리를 구현하고, 원거리 양자얽힘, 양자 원격이동, 양자 얽힘 치환 등 양자네트워크의 핵심 프로토콜을 실험적으로 실현하는 방향이 제시되어 있다. 이온은 안정적인 내부 상태를 지닌 양자메모리 매체로 적합하고, 광자는 장거리 전송에 유리하므로 두 시스템의 결합은 네트워크형 양자기술의 표준적 접근으로 평가된다. 연구실은 이 접점을 실험적으로 구현할 수 있는 원자·광학·제어 기술을 함께 축적하고 있다. 이러한 연구는 향후 단일 양자프로세서의 성능 경쟁을 넘어, 여러 양자노드를 연결한 확장형 양자 생태계 구축에 기여할 수 있다. 양자메모리는 계산과 통신 사이의 시간·공간적 간극을 메우는 핵심 장치이며, 안정적인 얽힘 분배 기술은 보안 통신과 분산 양자센싱에도 직접 연결된다. 따라서 이 연구실의 양자메모리 및 양자네트워크 연구는 양자컴퓨팅 하드웨어 개발과 더불어 차세대 양자정보 인프라를 형성하는 중요한 축이라고 볼 수 있다.