초록 ▼

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

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)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 4
• 요약문 ... 5
• 목차 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 8
• 1-1. 연구개발 목적 ... 8
• 1-2. 연구개발의 필요성 ... 10
• 1-3. 연구개발 범위 ... 11
• 2. 연구수행내용 및 성과 ... 25
• 3. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 ... 95
• 3-1. 목표 및 달성여부 ... 95
• 3-2. 목표의 세부 성과 달성 현황 ... 98
• 3-3. 목표 미달성 시 원인(사유) 및 차후대책(후속연구의 필요성 등) ... 104
• 4. 연구개발성과의 활용 계획 등 ... 106
• 4-1. 향후 5년간 성과활용·확산 활용방안 및 계획(활동계획) ... 106
• 4-2. 주요 성과활용 (기대)성과목표 ... 106
• 4-3. 성과활용·관리 추진체계 ... 106
• 4-4. 기타 ... 106
• 붙임1. 사업화대상기술별 기술명세서 ... 107
• 붙임2. 참고문헌 ... 110
• 붙임3. 자체 보안관리 진단표 ... 111
• 끝페이지 ... 112