[연구]빛 기반 양자컴퓨터 연산을 ‘CT처럼’ 완전히 들여다본다

< (왼쪽부터) KAIST 물리학과 곽근희 석박통합과정, 라영식 교수, 노찬 박사후 연구원, 윤영도 석박통합과정 (왼쪽 위) Imperial College London 김명식 교수 > 빛(광학)을 기반으로 한 양자컴퓨터는 빠른 속도와 높은 확장성을 갖춘 차세대 컴퓨팅 기술로 주목받고 있다. 하지만 여러 개의 빛 신호(광학 모드)가 동시에 얽혀 작동하는 복잡한 연산 과정을 실험으로 정확히 규명하는 것은 매우 어려운 기술로 여겨져 왔다. 우리 대학 연구팀은 이러한 한계를 극복해, 복잡한 다중 광학모드 양자 연산을 CT처럼 훤하게 볼 수 있는 효율적인 기술을 세계 최초 개발했다. 이번 기술은 적은 데이터로도 대규모 연산을 분석할 수 있어, 차세대 양자컴퓨팅과 양자통신 기술 발전에 중요한 전환점을 마련했다.우리 대학은 물리학과 라영식 교수 연구팀이 빛을 이용해 연산하는 양자컴퓨터의 내부에서 일어나는 다중 광학모드 양자연산의 특성을 빠르고 정확하게 파악할 수 있는 양자연산 토모그래피(Quantum Process Tomography) 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.양자컴퓨터의 ‘CT 촬영’ 기술, 한계를 뛰어넘다‘토모그래피(Tomography)’는 의료용 CT처럼 보이지 않는 내부 구조를 다양한 데이터를 바탕으로 복원하는 기술이다. 양자컴퓨팅에서도 동일하게, 여러 실험 데이터를 이용해 양자연산 내부의 작동 원리를 재구성하는 기술이 필수적이다. 양자컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 월등한 성능을 내려면 동시에 조작할 수 있는 양자 단위(큐빗 or 모드)의 수가 많아야 한다. 하지만 큐빗 또는 광학 모드의 수가 늘어날수록 토모그래피에 필요한 작업량이 기하급수적으로 증가해, 기존 기술로는 5개 이상의 광학 모드를 분석하는 것조차 어려웠다.연구팀은 이번 기술로 양자연산 내부에서 실제로 무슨 일이 일어나는지 CT 촬영하듯 명확하게 그려낼 수 있게 되었다.증폭 행렬·잡음 행렬 기반의 새로운 수학 프레임워크 제시양자컴퓨터 안에서는 여러 개의 빛 신호가 서로 영향을 주며 매우 복잡하게 얽혀 움직인다. 연구팀은 비선형 광학 과정(nonlinear optical process)을 정밀하게 기술하는 새로운 수학적 표현을 도입했다.빛이 서로 영향을 주고받으며 변하는 복잡한 양자 상태를 빛이 얼마나 증폭되고 어떻게 변했는지에 대한 ‘증폭 행렬(Amplification matrix)’과 외부 환경 때문에 생긴 잡음이나 손실이 얼마나 섞였는지에 대한‘잡음 행렬(Noise matrix)’이라는 두 가지 틀로 분석하는 방식이다.이 방식은 빛이 본래 가진 양자특성 변화(이상적인 변화)와 현실 세계에서 피할 수 없는 잡음(비이상적인 변화)을 각각 따로, 동시에 정확하게 볼 수 있는 '양자 상태 지도'를 만든 것으로 실제 양자컴퓨터의 동작을 더욱 현실적으로 규명할 수 있다.데이터량은 혁신적으로 줄이고 분석은 16모드까지 확대연구팀은 양자연산이 어떻게 작동하는지 알아내기 위해 여러 종류의 ‘빛 신호(양자상태)’를 입력하고, 그 결과가 어떻게 바뀌었는지 하나하나 정밀하게 관찰했다. 그리고 이렇게 모은 데이터를 가장 정확한 방식으로 설명해주는 통계 기법(최대우도추정)을 이용해 ‘실제로 내부에서 어떤 연산이 일어났는지’를 역으로 추적했다.그 결과, 기존 방식은 모드가 조금만 늘어나도 필요한 분석 양이 폭발적으로 많아져 사실상 5개 정도까지만 분석이 가능했지만, 이번 기술은 필요한 계산량을 크게 줄여, 세계 최초로 무려 16개의 광학 모드(빛 신호)가 서로 얽혀 작동하는 대규모 양자연산을 실험적으로 규명하는데 성공했다.< 그림 1. 실험 방법. 다양한 결맞음 양자 상태(coherent states)를 입력해 출력 광의 세기의 위상을 측정하여 증폭 행렬을 구하고, 진공 상태를 입력하여 출력 잡음을 측정해 잡음 행렬을 구함. > < 그림 2. 다양한 유형의 양자 연산 규명 결과. (a) 16 모드 비선형 광학변환 연산. (b) 클러스터 양자얽힘 연산. (c) 다중모드 광손실 연산. (d) 양자잡음 도입 연산. 이론적 예측 모델은 검정 실선으로 표시되어 있음. > 라영식 교수는 “이번 연구는 양자컴퓨팅의 필수 기반기술인 양자연산 토모그래피의 효율을 획기적으로 높인 성과”라며, “확보한 기술은 향후 양자컴퓨팅·양자통신·양자센싱 등 다양한 양자기술의 확장성과 신뢰성을 높이는 데 크게 기여할 것”이라고 말했다.물리학과 곽근희 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 참여하고 노찬 박사후연구원, 윤영도 석박사통합과정 학생, 임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London)의 김명식 교수가 공동 저자로 참여한 이번 연구는 저명 국제 학술지 `네이처 포토닉스(Nature Photonics)'에 2025년 11월 11일 온라인판으로 정식 출판됐다.※ 논문명: Completely characterizing multimode second-order nonlinear optical quantum processes, DOI:10.1038/s41566-025-01787-x한편 이번 연구는 한국연구재단 (양자컴퓨팅 기술개발사업, 중견연구자 지원사업, 소재혁신 양자시뮬레이터 개발사업, 양자기술연구개발 선도사업, 기초연구실 지원사업)과 정보통신기획평가원 (양자인터넷 핵심원천기술 사업, 대학ICT연구센터지원사업) 및 미국 공군연구소의 지원을 받아 수행됐다. 출처 : https://researchnews.kaist.ac.kr/researchnews/html/news/?mode=V&mng_no=54610&skey=&sval=&list_s_date=&list_e_date=&GotoPage=2

[연구]'멀리 있어도 함께 있는 것처럼' 감성 소통 XR기술로 들어가다​

< (오른쪽부터) 우운택 교수, 대회 관계자, 백민주 박사과정생, 신윤석 석사과정성, 김두영 박사, 윤상호 교수, 이현진 박사, 대회 관계자 > KAIST·국제 연구진이 원격지의 사람들을 마치 한 공간에 있는 것처럼 연결하고, 표정과 감각까지 공유할 수 있는 차세대 가상 소통 기술의 가능성을 제시했다.KAIST(총장 이광형)는 메타버스대학원 우운택 교수 연구팀은 KI AR연구센터, 캐나다 캘거리대(University of Calgary) 김강수 교수팀, 미국 서던캘리포니아대(University of Southern California) 조나단 그래츠(Jonathan Gratch) 교수팀과 공동 연구를 진행하며, 현실과 가상의 경계를 허물고 사람 간의 소통 방식을 감성적으로 확장하는 확장현실(XR) 기술 연구 성과를 잇따라 발표했다고 7일 밝혔다.연구팀은 ‘시공간을 넘어 서로의 경험을 확장하고 공유하는’ 현실–가상 융합의 미래를 구체적으로 보여주었다.< (오른쪽부터) 대회관계자, 김강수 교수, 강서영 박사과정생, 김두영 박사, 대회 관계자 > 예를 들어, 제안하는 기술들이 기반이 되어 XR 기기 및 컴퓨팅 기술이 더욱 발전한다면, 대전에 있는 사용자가 뉴욕 메트로폴리탄 미술관을 실제처럼 정합하고 실제 사람을 닮은 아바타를 통해 표정 변화를 전달하며 현지 관람객과 전시를 함께 즐기는 미래를 상상해볼 수 있다. 나아가 햅틱 장갑과 시각·청각 피드백 기술이 결합되면, 실제로는 만질 수 없는 가상 유물의 질감을 보다 실감있게 체험할 수 있을 것이다.XR 안경을 착용하지 않은 사람들조차 대형 디스플레이를 통해 3차원 전시 공간을 함께 체험할 수 있게 함으로써, 단순한 정보 전달을 넘어 감각과 공간이 연결되는 새로운 형태의 원격 협업 및 소통 환경을 여는 기반 기술이 될 것으로 기대된다.감성 기반 XR 기술의 네 가지 혁신적 성과는 다음과 같다.첫째, ‘다중 원격 공간 정합 기술’은 멀리 떨어진 다수의 공간을 하나의   협업 공간으로 정합하는 알고리즘을 개발해, 공간 수가 많아져도 안정적으로 공동 작업이 가능한 환경을 구현했다.※ 연구책임자: 김두영 박사 (KAIST AR연구센터), 발표 학회: IEEE ISMAR 2024 (2024.10.23.) ※ 논문명: Spatial Affordance-aware Interactable Subspace Allocation for Mixed Reality Telepresence, (DOI: 10.1109/ISMAR62088.2024.00142)< a) 서로 다른 공간 정합 기술(김두영 박사), b) 실제 사람-아바타 얼굴 표정 표현(강서영 박사과정), 시각-촉각 융합 피드백(백민주 박사과정), d) 대형화면 3D 공간 경험 연구(김두영 박사) > 둘째, 사람-아바타 변형 시의 ‘맥락 인지형 표현 시스템’은 실제 사람을 아바타로 변형하는 과정에서의  상황과 맥락에 따라 표정과 정체성을 자연스럽게 조정할 수 있는 시스템 설계 방향을 제안했다.※ 연구책임자: 강서영 박사과정 (KAIST), 발표 학회: IEEE VR 2025 (2025.3.12.) ※ 논문명: How Collaboration Context and Personality Traits Shape the Social Norms of Human-to-Avatar Identity Representation, (DOI: 10.1109/TVCG.2025.3549904)셋째, 시각–촉각 융합 피드백을 통해 가상객체의 감정적 촉감 경험을 구현한 연구는 손의 시각 피드백과 촉각 자극을 결합해 표면 질감과 감정적 반응을 재현함으로써, 단순한 진동 자극을 넘어 감정이 느껴지는 ‘촉각 몰입감’을 구현했다.※ 연구책임자: 백민주 박사과정 (KAIST), 공동연구자: 윤상호 교수팀, 발표 학회: IEEE ISMAR 2025 (2025.10.11.), 논문명: Visuo-Tactile Feedback with Hand Outline Styles for Modulating Affective Roughness Perception, (DOI: 10.1109/TVCG.2025.3616805)넷째, 대형 화면 기반 3D 공간 경험 기술은 별도 장비 없이 대형 디스플레이에서 깊이감을 느낄 수 있는 기술을 개발, 박물관·전시관 등 공공 공간에서 여러 관람객이 특수 안경 없이도 3D를 함께 경험할 수 있는 기반 기술을 제안했다.※ 연구책임자: 김두영 박사 (KAIST AR연구센터), 발표 학회: IEEE ISMAR 2025 (2025.10.11.) ※ 논문명: Viewpoint-Tolerant Depth Perception for Shared Extended Space Experience on Wall-Sized Display, (DOI: 10.1109/TVCG.2025.3616758)우운택 교수는 “이번 연구들은 시공간을 넘어 서로의 경험을 확장하고 공유하는 방법을 제시한 XR 연구”라며, “이는 대전에서도 전 세계의 재미(Jami=fun)를 경험하고, K-문화를 세계로 확산하는 ‘뉴잼(New Jam) 대전 연구’의 핵심 기반이 될 것”이라고 강조했다.< 첫 번째상. 혼합현실 학술대회(ISMAR) 다중 원격 공간 정합 연구 최우수 논문상(2024.10.23. 수상) > KAIST 연구팀은 네 가지 혁신 XR 연구들을 통해 IEEE ISMAR 2024·2025 및 IEEE VR 2025에서 총 네 편의 최우수 논문상(Best Paper Award)을 수상했다.(IEEE VR: 국제전기전자공학회 가상현실학회, IEEE ISMAR: 국제전기전자공학회 혼합현실학술대회)이 상은 매년 상위 1% 논문에만 수여되는 영예로운 성과로, ISMAR 2024에서는 627편 중 6편, VR 2025에서는 785편 중 7편, ISMAR 2025에서는 763편 중 7편만이 선정됐다.특히 ISMAR 2025 학회는 대전에서 개최되었으며, 우운택 교수와 한양대 박종일 교수가 공동 조직위원장으로 참여했다. 35개국 830명 이상의 연구자가 참여해 역대 최대 규모를 기록, 한국의 가상융합 기술 위상을 한층 높였다. 출처 : https://researchnews.kaist.ac.kr/researchnews/html/news/?mode=V&mng_no=54150&skey=&sval=&list_s_date=&list_e_date=&GotoPage=3 

[연구]'거꾸로' 생각해 맞춤형 3차원 뇌신경 칩 제작​

< (왼쪽부터) 바이오및뇌공학과 남윤기 교수, 윤동조 박사후연구원 > 체외에서 배양한 뇌 신경조직은 뇌 연구를 단순화한 실험 모델로 널리 활용돼 왔으나, 기존 장치는 반도체 공정 기반으로 제작돼 형태 변형과 입체(3D) 구조 구현에 한계가 있었다. KAIST 연구팀은 발상의 전환으로 3D 프린터로 빈 통로 구조를 먼저 제작한 뒤, 그 통로를 전도성 잉크가 모세관 현상으로 저절로 채우게 해 전극·배선을 만드는 맞춤형 3D 뇌 신경 칩을 완성했다. 이번 성과는 뇌과학·뇌공학 연구 플랫폼의 설계 자유도와 활용성을 크게 높일 것으로   기대된다.우리 대학은 바이오및뇌공학과 남윤기 교수 연구팀은 기존 반도체 공정 기반 제작 방식의 한계를 극복하고 ‘3D 미세전극 칩(3차원 공간에 배치된 다수의 미세전극을 통해 신경세포의 전기적 활동을 측정하고 자극할 수 있는 신경 인터페이스)’을 다양한 형태의 맞춤형 체외 배양칩 형태로 정밀하게 제작할 수 있는 플랫폼 기술을 개발하는데 성공했다고 25일 밝혔다.기존 3D 미세전극 칩 제작은 반도체 공정을 기반으로 해 입체적 설계 자유도가 제한되고 높은 비용이 요구됐다. 이를 극복하기 위해 최근 3D 프린팅 기반 제작 기술이 제안됐으나 ‘전기 전도성 물질 패터닝 → 절연체 도포 → 전극 오프닝’ 순서를 따르는 기존의 방식으로는 다양한 체외 배양 신경네트워크 구조를 위한 입체적 설계 자유도 측면에서 여전히 한계를 지니고 있었다.KAIST 연구진은 3D 프린팅 기술이 제공하는 뛰어난 입체적 설계 자유도와 출력물을 절연체로 활용할 수 있다는 특성에 착안해, 기존 공정 순서를 거꾸로 뒤집은 방식을 도입함으로써 체외 배양용 3차원 신경네트워크 모델을 보다 자유롭게 설계하고 기능을 측정할 수 있는 혁신적인 공정법을 확립했다. < 체외배양 3D 신경네트웍 모델용 맞춤형 세포배양 지지체-미세전극칩 일체형 플랫폼 개요도 > 먼저, 3D 프린터를 활용해 미세 터널이 형성된 속이 빈 3차원 절연체를 출력했다. 이 구조물은 전도성 물질이 3차원 공간에서 안정적으로 구조를 유지하면서, 동시에 다양한 3차원 신경 네트웍을 제작하는 지지체 역할을 할 수 있도록 설계됐다. 이후, 전기 전도성 잉크를 모세관 현상으로 내부의 미세 터널을 채우면, 복잡한 입체 배양 지지체 구조물 내에 미세전극을 보다 자유롭게 배치한 3차원 지지체-미세전극칩을 제작할 수 있음을 선보였다. 새로운 플랫폼은 프로브형, 큐브형, 모듈형 등 다양한 형태의 칩 구현이 가능하고, 그래파이트·전도성 폴리머·은 나노입자 등 여러 재료 기반 전극 제작도 지원한다. 이를 통해 3차원 신경 네트워크의 내부와 외부에서 발생하는 다채널 신경 신호를 동시에 측정할 수 있어, 신경세포 간 동적 상호작용과 연결성을 정밀하게 분석할 수 있다.남 교수는 “이번 연구는 3D 프린팅과 모세관 현상을 결합해 신경칩 제작의 자유도를 크게 확장한 성과”라며, “앞으로 뇌신경 조직을 활용한 기초 뇌과학 연구뿐 아니라 세포 기반 바이오센서, 바이오컴퓨팅 같은 응용 분야 발전에도 기여할 것”이라고 밝혔다.이번 연구에는 KAIST 바이오및뇌공학과 윤동조 박사가 제1 저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제 학술지 어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials) 온라인판(6월 25일자)에 게재됐다.※논문명: Highly Customizable Scaffold-Type 3D Microelectrode Array Platform for Design and Analysis of the 3D Neuronal Network In Vitro), DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202510446한편 이번 연구는 한국연구재단 중견연구사업과 글로벌 기초연구실사업의 지원을 받아 수행됐다. 출처 : https://researchnews.kaist.ac.kr/researchnews/html/news/?mode=V&mng_no=52410

[연구]네이처 자매지 통해 반도체 리더십 집중 조명​

< (왼쪽부터) 전기및전자공학부 최신현, 윤영규, 최성율, 유승협 교수, 신소재공학과 김경민 교수 > 우리 대학은 세계적 과학 저널 ‘네이처(Nature)’의 자매지 ‘네이처 리뷰스 일렉트리컬 엔지니어링(Nature Reviews Electrical Engineering)’에 지난 8월 18일 자로 KAIST의 반도체 연구와 교육 성과가 집중 조명됐다고 5일 밝혔다.※ 제목: Semiconductor-related research and education at KAIST※ DOI: 10.1038/s44287-025-00204-3 이번 특집(Focus) 기사는 KAIST가 차세대 반도체 연구와 인재 양성, 글로벌 산학협력에서 보여주는 리더십을 상세히 다루며, 한국 반도체 산업의 미래 청사진을 제시했다. 실비아 콘티(Silvia Conti) 편집장이 직접 인터뷰를 진행했으며, KAIST에서는 신소재공학과 김경민 교수, 전기및전자공학부 윤영규, 최신현, 최성율, 유승협 교수 등이 인터뷰에 참여했다. KAIST는 전기및전자공학부, 반도체시스템공학과, 반도체공학대학원 등 교육 프로그램을 운영하며, 뉴로모픽 컴퓨팅, 인-메모리 컴퓨팅, 2차원 신소재 기반 소자 등 차세대 반도체 연구를 선도하고 있다. 이러한 기반 위에서 연구진은 기존 실리콘 한계를 넘어서는 새로운 아키텍처와 소자를 개발하며, 인공지능·로보틱스·의료 등 다양한 응용 분야 혁신을 이끌고 있다.< KAIST는 전기및전자공학부, 신소재공학과, 반도체시스템공학과, 반도체공학대학원 등에서 반도체 전 분야를 아우르는 세계적 연구 역량을 바탕으로, AI 하드웨어·인메모리 컴퓨팅·2차원 신소재 소자 등 차세대 반도체 기술을 선도하고 있다. 그림은 최근 KAIST의 차세대 반도체 연구에서 세계적 위상을 입증한 연구 성과들. (왼쪽부터) KAIST 최신현 교수팀이 발표한 초저전력 상변화 메모리 원천 기술. 2024년 Nature 발표. KAIST 김경민 교수팀이 발표한 열컴퓨팅 원천 기술. 2024년 Nature Materials 발표. 윤영규, 최신현 교수팀이 발표한 차세대 두뇌모사 반도체 소자 및 응용 기술. 2025년 Nature Electronics 발표. > 특히 RRAM, PRAM 등 신개념 메모리를 활용해 시냅스, 뉴런 등 생물학적 기능을 하드웨어 플랫폼으로 구현하는 연구는 국제적으로 주목받고 있다. 이는 로봇, 엣지 컴퓨팅, 온-센서 AI 시스템 등으로의 응용 가능성을 열고 있다. 또한 KAIST는 삼성전자·SK하이닉스와의 오랜 파트너십을 기반으로 EPSS(삼성반도체 고급인력양성프로그램), KEPSI(SK하이닉스반도체 고급인력양성프로그램)를 운영해 왔다. 이 과정에 참여한 대학원생은 전액 장학금과 졸업 후 취업이 보장되며, 2022년 신설된 반도체시스템공학과는 매년 100명의 학부생을 선발해 체계적 교육을 제공하고 있다. 아울러 매년 70여 개 연구실이 참여하는 KAIST–삼성전자 산학협력센터는 장기적 산학 공동연구 거점으로서 산업계 현안 해결에 기여하고 있다. 이번 기사는 KAIST가 단순한 연구기관을 넘어 국제적 연구 허브로 성장하고 있음을 강조한다. KAIST는 여성 교수 임용 확대, 외국인 교수·학생 지원을 위한 글로벌 인재 비자센터 설립 등 다양성과 포용성을 강화하며 세계 각국의 우수 인재를 끌어들이고 있다. 또한 대덕연구단지(대덕 특구, Daedeok Innopolis)의 핵심 대학으로서 ‘한국의 실리콘밸리’의 심장 임무를 수행하고 있다. KAIST 연구진은 반도체 기술의 미래가 단순한 소자 축소가 아닌 뉴로모픽 기술, 3차원 패키징 기술, AI 기술 응용과 같은 융합적 접근에 달려 있다고 전망한다. 이번 기사는 이러한 KAIST의 전략적 연구 방향과 리더십이 글로벌 학계와 산업계에서도 주목받고 있음을 보여준다. 김경민 교수는 “이번 기사를 통해 KAIST의 차세대 반도체 연구와 인재 양성 전략이 국내외 학계와 산업계에 널리 알려져 매우 기쁘며, 앞으로도 혁신적인 융합 연구로 미래 반도체 기술 발전에 기여하겠다”고 강조했다.  이광형 총장은 “KAIST가 세계적 과학 저널을 통해 반도체 연구와 교육 성과를 조명받게 된 것은 우리 대학 구성원들의 헌신과 도전 정신 덕분”이라며, “KAIST의 글로벌 연구 허브로서의 성장이 주목받게 되어 기쁘게 생각하며, 앞으로도 산학연 협력을 확대해 차세대 반도체 혁신을 선도하고 한국이 미래 반도체 강국으로 자리매김하는 데 핵심적 역할을 하겠다”고 밝혔다. 출처 : https://researchnews.kaist.ac.kr/researchnews/html/news/?mode=V&mng_no=51390

[연구]차세대 메모리의 비밀을 풀다​

< 사진 1. (왼쪽부터) 신소재공학과 박상희 교수, 박성환 박사과정, 공채원 박사과정, 홍승범 교수 > 차세대 메모리와 뉴로모픽 컴퓨팅 소자로 주목받는 ‘산화물 기반 저항 메모리(Resistive Random Access Memory, ReRAM)’는 빠른 속도와 데이터 보존 능력, 단순한 구조 덕분에 기존 메모리를 대체할 후보로 떠오르고 있다. 우리 연구진이 이 메모리 작동 원리를 밝혀내 앞으로 고성능·고신뢰성 차세대 메모리 개발에 핵심 단서를 제공할 것으로 기대된다. 우리 대학 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 신소재공학과 박상희 교수 연구팀과 협업해, 차세대 반도체 핵심 기술로 주목받는 산화물 기반 메모리의 작동 원리를 세계 최초로 정밀하게 밝혀냈다고 2일 밝혔다. 연구팀은 여러 종류의 현미경*을 하나로 결합한 ‘다중모드 주사 탐침 현미경(Multi-modal SPM)’을 활용해, 산화물 박막 내부에 전자가 흐르는 통로와 산소 이온의 움직임, 그리고 표면 전위(재료표면에 전하의 분포) 변화를 동시에 관찰하는 데 성공했다. 이를 통해 메모리에 정보를 기록하고 지우는 과정에서 나타나는 전류 변화와 산소 결함이 어떻게 달라지는지 상관관계를 규명했다.*여러 종류 현미경: 전류 흐름을 보는 전도성 원자간력 현미경(Conductive atomic force microscopy, C-AFM), 산소 이온 움직임을 보는 전기화학적 변형률 현미경(Electrochemical strain microscopy, ESM), 전위 변화를 보는 켈빈 탐침 힘 현미경(Kelvin probe force microscopy, KPFM) 이 특별한 장비로 연구팀은 이산화티타늄(TiO2) 박막에 전기 신호를 주어, 메모리에 정보를 기록하고 지우는 과정을 직접 구현해서 전류가 달라지는 이유가 산소 결함 분포의 변화 때문임을 나노 수준에서 직접 확인했다. 이 과정에서 산소 결함이 많아지면 전자의 이동 통로가 넓어져 전류가 잘 흐르고, 반대로 흩어지면 전류가 차단되는 등, 전류의 흐름이 산소 결함의 양과 위치에 따라 달라짐을 확인했다. 이를 통해 산화물 내의 산소 결함 분포가 메모리의 켜짐(on)/꺼짐(off) 상태를 결정한다는 점을 정밀하게 시각화하는 데 성공했다.< 연구과정의 개요. SPM 모드 중 하나인 C-AFM(Conductive atomic force microscopy)를 이용하여 10 nm 두께의 TiO2박막 위에 형성(electroforming), 리셋(reset)과정에 해당하는 저항 스위칭을 일으킨 뒤 전계에 의해 변화한 국부적인 전류 변화를 관찰함, 이후 같은 위치에서 ESM(Electrochemical strain microscopy), KPFM(Kelvin probe force microscopy) 시그널을 종합적으로 분석하여 저항 스위칭현상에 영향을 미치는 이온-전자적 거동의 공간적 상관관계를 관찰하고 분석함 > 이번 연구에서는 단일 지점의 분포에 국한되지 않고, 수 마이크로미터(µm2) 크기의 넓은 영역에서 전기 신호를 인가한 뒤, 변화된 전류 흐름, 산소 이온의 움직임, 표면 전위 분포의 변화를 종합적으로 분석했다. 그 결과, 메모리의 저항이 바뀌는 과정이 단순히 산소 결함 때문만이 아니라 전자들의 움직임(전자적 거동)과도 긴밀히 얽혀 있다는 사실을 규명했다. 특히 연구진은 메모리를 ‘지우는 과정(소거 과정)’에서 산소 이온이 주입되면, 메모리가 안정적으로 꺼진 상태(고저항 상태)를 오래 유지할 수 있다는 사실을 확인했다. 이는 곧 메모리 소자의 신뢰성을 높이는 핵심 원리으로 향후 안정적인 차세대 비휘발성 메모리 개발에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다. 연구를 주도한 홍승범 교수는 “다중모드 현미경을 통해 산소 결함, 이온, 전자의 공간적 상관관계를 직접 관찰할 수 있음을 입증한 사례”라며 “향후 이러한 분석 기법이 다양한 금속 산화물 기반 차세대 반도체 소자의 연구와 개발의 새로운 장을 열 것”이라고 말했다.< C-AFM과 ESM 기법을 연계하여 저항 스위칭 후 국부 전도도와 산소 결함 농도 변화의 상관관계를 분석함. 형성(electroforming) 과정 후 전도도가 증가한 영역에서는 결함 이온 농도로 해석될 수 있는 ESM amplitude 시그널이 증가하고, 리셋(reset) 과정 후 전도도가 감소한 영역에서는 해당 시그널 또한 함께 감소하는 현상을 관찰함. 이를 통해 저항 스위칭 후 전도도 변화와 국소 결함 이온 농도 변화가 양의 상관관계를 가짐을 공간적으로 분석함 > 신소재공학과 공채원 박사과정 연구원이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 미국화학학회(American Chemical Society, ACS)에서 발간하는 신소재·화학공학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘ACS Applied Materials and Interfaces’에 7월 20일 자로 출판됐다.※ 논문 제목: Spatially Correlated Oxygen Vacancies, Electrons and Conducting Paths in TiO2 Thin Films※ DOI: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.5c10123  한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행됐다. 출처 : https://researchnews.kaist.ac.kr/researchnews/html/news/?mode=V&mng_no=51271

[연구]세계 최고 권위 컴퓨터학회서 연구 역량과 위상 입증​

< (왼쪽부터) 전산학부 양홍석 교수, 강지훈 교수, 류석영 교수, 허기홍 교수 >우리 대학은 6월 18일부터 20일까지 서울에서 개최되는 세계 최대 컴퓨터학회인 ACM(Association for Computing Machinery)이 주관하는 프로그래밍 언어 분야 최고 권위의 국제 학술대회인 ‘PLDI (Programming Language Design and Implementation) 2025’에서 기조 강연과 탁월한 연구 성과를 발표하며 KAIST의 세계적 위상을 다시 한 번 입증했다고 18일 밝혔다.학술대회 첫날 기조강연자로 초대된 전산학부 류석영 교수는 “기술 및 사회적 공익을 위한 프로그래밍 언어 연구: 프로그래밍 언어는 공익을 위해 무엇을 할 수 있을까요?(Programming Language Research for Technical and Social Good: What PL Can Do for Good?)”라는 제목으로 강연을 진행한다.이번 강연에서 류 교수는 자바스크립트와 같은 언어의 정형화(formalization)를 통한 소프트웨어 안전성 향상뿐 아니라, 프로그래밍 언어 연구가 사회적으로도 다양성(Diversity), 형평성(Equity), 포용성(Inclusion) 확산에 기여할 수 있는 방식을 사례를 통해 제시할 예정이다.류석영 교수는 “프로그래밍 언어는 기술을 넘어서 공익을 실현하는 수단이 될 수 있다”며 “KAIST 연구진의 이러한 노력이 국내외 연구자들에게도 영감을 줄 수 있기를 기대한다”고 말했다.PLDI는 지난 46년간 전산학 전체에 깊은 영향을 미치는 중요한 논문이 다수 발표된 유서 깊은 학술대회다. 프로그래밍 언어와 컴파일러 등 소프트웨어 전반의 기초가 되는 핵심 기술을 발표하고 있다.전산학부의 강지훈 교수, 양홍석 교수, 허기홍 교수 연구팀은 이번 PLDI 2025에서 총 5편의 논문을 발표하며, 전체 채택 논문 89편 중 6.7%에 해당하는 비중을 차지했다. 이는 한국 내 대학 중 가장 높은 수치로, 포항공대가 2편을 발표했다.특히 강지훈 교수는 지난해에 이어 올해도 단독으로 3편의 논문을 발표하며 국내 연구자의 지속적인 두각을 나타냈다. 강 교수는 “학생들이 수년간 공들여 연구한 결과가 세계 최고 학회에서 인정받아 기쁘다”며, “현실 문제 해결에 밀착된 연구를 통해 산업계의 난제를 풀어나가고 있다”고 밝혔다.다섯 편의 논문은 멀티코어 컴퓨팅 시스템에서의 병렬 자료구조 성능 향상 및 검증, 컴파일러의 신뢰성 확보, 프로그래밍 언어 의미론 연구 등을 중심으로, 운영체제·데이터베이스 등 고성능 시스템 소프트웨어의 품질 향상에 기여할 것으로 기대된다.이번 학회에 발표되는 5개의 논문은 아래와 같다:1. 멀티코어 컴퓨팅 시스템에서 동작하는 고성능 병렬 자료구조의 효율 향상(강지훈 교수) 2. 읽기-복사-쓰기(RCU) 방식의 올바름을 현실적인 조건에서 처음으로 검증(강지훈 교수) 3. 고성능 병렬 자료구조인 순회 자료구조의 올바름을 쉽게 증명할 수 있는 방법론 개발(강지훈 교수) 4. 컴파일러의 올바름을 저비용, 고효율로 검사하는 새로운 기술 제시(허기홍 교수) 5. 특이 함수(singular function)를 지원하는 프로그래밍 언어의 첫 번째 의미론 제시(양홍석 교수)< 그림 1. Leveraging Immutability to Validate Hazard Pointers for Optimistic Traversals 논문의 핵심 아이디어. 불변성을 활용하면 모든 노드를 확인하지 않고도 연결 상태를 안전하게 판단할 수 있다. 그림에서는 n2와 n3가 불변이므로 n4까지의 경로가 여전히 유효함을 효율적으로 확인할 수 있다. >< 그림 2. Verifying General-Purpose RCU for Reclamation in Relaxed Memory Separation Logic 논문의 핵심 아이디어. RCU의 핵심 요소인 fence(sc) 전후의 실행기록(ScHist)와 확인 정보(Seen)를 논리적으로 비교하여, 한 스레드에서의 저장이 다른 스레드에서 올바르게 관측되었는지를 증명할 때 사용하는 법칙이다. 이 법칙을 이용하면 RCU뿐 아니라 유사한 동기화 메커니즘(예: 뮤텍스)도 동일하게 검증했다. >< 그림 3. Verifying Lock-Free Traversals in Relaxed Memory Separation Logic 논문의 핵심 아이디어. 같은 장소에서 순회를 여러번 할 때, 시간순으로 인과 관계를 정의한 후, 이 관계성을 이용해 검증에 핵심이 되는 순회들 간 인과성 논증을 수행할 수 있다. >< 그림 4. Optimization-Directed Compiler Fuzzing for Continuous Translation Validation 논문의 핵심 아이디어. 컴파일러 코드 중 오류 의심 지점만 집중 검사하여 숨은 오류를 빠르게 찾아낸다. >류석영 학부장은 “KAIST 전산학부는 학문적 깊이와 사회적 책임을 동시에 지향하는 연구를 꾸준히 이어가고 있으며, 이번 PLDI 2025에서 그 성과를 세계와 공유할 수 있어 매우 뜻깊다”라고 밝혔다.해당 논문들은 ACM 공식 저널 형식의 PACMPL(Proceedings of the ACM on Programming Languages)에 게재됐으며, PLDI 2025 학술대회 현장에서 발표될 예정이다.한편 이번 연구는 한국연구재단 선도연구센터, 우수신진연구자지원사업, 정보통신기획평가원(IITP) 정보통신·방송 기술개발사업, 인공지능반도체 고급인재 양성사업, 대학ICT연구센터, 삼성전자 미래기술육성센터, Amazon의 지원을 받아 수행됐다.

[연구]세상에 없던 아이디어, KAIST가 현실로, 자석으로 양자컴퓨팅 기술 구현​

세상에 없는 기술을 제안하라는 KAIST 글로벌 특이점 연구사업으로 시작된 ‘자석으로 양자컴퓨팅 기술을 개발한다’는 아이디어가 현실로 실현되었다. KAIST와 국제공동 연구진은 ‘자기 성질을 가진 물질(자성체)’을 활용해 양자컴퓨팅의 핵심 기술을 세계 최초로 실증하는데 성공했다.우리 대학 물리학과 김갑진 교수 연구팀이 미국 아르곤 국립 연구소(Argonne National Lab.), 일리노이대 어바나-샴페인(Univ. of Illinois Urbana-Champaign, UIUC)와 공동연구를 통해, ‘광자-마그논 하이브리드 칩’을 개발해 자성체에서 다중 펄스 간섭 현상을 실시간으로 구현하는 데 세계 최초로 성공했다.< 물리학과 송무준 박사(왼쪽), 물리학과 김갑진 교수(오른쪽) >쉽게 설명하면, 연구팀은 ‘빛’과 ‘자석 내부의 진동(마그논)’이 함께 작동하는 특수한 칩을 개발하여 멀리 떨어진 자석 사이에서 신호(위상 정보)를 전송하고, 여러 개의 신호가 서로 간섭하는 현상을 실시간으로 관측하고 조절하는 데 성공한 것이다.이는 자석이 양자 연산의 핵심 부품으로 활용될 수 있다는 것을 보여준 세계 최초의 실험으로, 자성체 기반 양자컴퓨팅 플랫폼 개발의 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다.자석의 N극과 S극은 원자 내부에 존재하는 전자의 스핀(spin)에서 나오게 되는데, 여러 원자가 모였을 때 나타나는 스핀들의 집단적인 진동 상태를 마그논(magnon)이라고 한다.마그논은 특히, 정보를 한쪽으로만 전달하는 비상호성(nonreciprocity) 특성을 가질 수 있어, 양자 노이즈 차단을 통한 소형 양자 칩 개발에 응용될 수 있고, 광 및 마이크로파와 동시에 결합할 수 있어 양자 정보를 수십 km 거리로 전송하는 양자 통신 소자로도 응용이 가능하다.또한, 특수한 자석 물질인 반강자성체(antiferromagnet)를 이용하면 양자컴퓨터의 작동 주파수를 훨씬 빠른 속도, THz(테라헤르츠) 대역으로 높여서 현재 양자컴퓨터 하드웨어 한계를 뛰어넘는, 복잡한 냉각 장비 없이도 상온에서 작동하는 양자컴퓨터의 개발이 가능할 수 있다.그러나, 마그논을 기반으로 한 양자컴퓨팅과 통신 시스템 전반의 구현에 필요한 이 모든 기술을 실현하기 위해서는 마그논 위상 정보, 즉 마그논의 파동이 언제부터 시작되고 움직이는지에 대한 정보를 실시간으로 전송 및 측정하고, 그것을 제어하는 기술이 필수적이었다.< 그림 1. 초전도 회로 기반 마그논-광자 하이브리드 시스템. (a) 소자 개략도. 실리콘 기판 상에 제작된 NbN 초전도 공진기 회로와 구형 YIG 자성체(지름 250 μm)를 결합하고, 수직 안테나를 통해 마그논을 생성, 실시간으로 측정함. (b) 실제 소자 사진. 두 YIG 구체 간의 거리는 12 mm로, 초전도 회로 없이는 서로 영향을 줄 수 없는 수준의 거리임. >김갑진 교수 연구팀은 작은 자석 구슬인 이트륨 철 가넷(Yttrium Iron Garnet, YIG) 2개를 12 mm 간격으로 배치하고, 그 사이에 구글, IBM 등의 양자컴퓨터에서 사용되는 회로인 초전도 공진기를 설치하여 한쪽 자석에 신호(펄스)를 넣어서 다른 자석까지 정보가 잘 전달되는지를 측정하였다.그 결과, 수 나노초(ns) 길이의 아주 짧은 하나의 펄스부터 최대 네 개의 마이크로파 펄스를 입력하였을 때 그로 인해 생기는 자석 내부의 진동(마그논)이 초전도 회로를 통해 멀리 있는 다른 자석까지 손실 없이 전달되는 것을 확인하였고, 여러 펄스 사이에 간섭을 일으켰을 때 각각의 위상 정보를 유지하며 신호가 예측대로 보강 또는 상쇄되는 것(결맞음 간섭 현상)을 실시간 도메인에서 관측하는 데 성공했다.나아가 연구팀은 여러 펄스(신호)의 주파수와 이들 간의 시간 간격을 조절하여 자석 안에 생기는 마그논의 간섭 패턴을 임의로 제어할 수 있음을 입증함으로써, 전기 신호 입력을 통해 마그논의 양자 상태(위상 정보)를 자유롭게 제어할 가능성을 처음으로 입증하였다.이번 연구는 양자 정보 처리 분야에서 필수적인 여러 개의 신호(다중 펄스)를 활용한 양자 게이트 연산이 자성체-초전도 회로 하이브리드 시스템*에서도 구현될 수 있음을 보여주었다. 이 결과는 자성체 기반 양자 소자가 실질적으로 양자컴퓨팅에 활용될 수 있는 가능성을 열어준다는 점에서 중요한 의미를 가진다.* 자성체-초전도 회로 하이브리드 시스템: 자성체의 마그논과 초전도 회로를 결합해, 서로의 장점을 살린 새로운 양자 연산 시스템< 그림 2. 실험 데이터. (a) 연속파 측정을 통한 마그논-마그논 밴드 안티크로싱(band anticrossing) 측정 결과. 강결합(strong coupling) 하이브리드 시스템이 형성되었음을 보여줌. (b) 단일 펄스 인가에 따른 YIG 구체 간 마그논 펄스 교환 진동 현상. 마그논 정보가 초전도 회로를 통해 결맞음을 유지하며 일정 시간 간격으로 전송됨을 알 수 있음. (c,d) 이중 펄스 인가에 따른 마그논 간섭 현상. 펄스 간 시간 간격과 캐리어 주파수의 조절을 통해 마그논 정보 상태를 임의로 제어할 수 있음. >김갑진 교수는“이번 연구는‘세상에 없는 기술을 제안하라’는 KAIST 글로벌 특이점 연구사업에‘자석으로 양자컴퓨터를 개발할 수 있을까?’라는 다소 엉뚱하지만 모험적인 아이디어를 제안하며 시작되었다”며“그 여정 자체가 매우 흥미로웠으며, 특히 이번 연구 결과는 양자 스핀트로닉스(quantum spintronics)라는 새로운 연구 분야의 가능성을 열었을 뿐만 아니라, 고효율 양자정보 처리 장치 개발을 위한 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다”라고 말했다.물리학과 송무준 박사후연구원이 제1 저자로 참여하고 미국 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)의 이 리(Yi Li) 박사, 발렌틴 노보사드(Valentine Novosad) 박사, 일리노이 주립대학교(University of Illinois Urbana-Champaign, UIUC)의 악셀 호프만(Axel Hoffmann) 교수 연구팀이 참여한 이번 연구는 네이처 출판 그룹이 출간하는 국제 학술지 ‘엔피제이 스핀트로닉스(npj spintronics)’와 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 4월 1일, 4월 17일에 연이어 출판되었다.※ 논문명 1: Single-shot magnon interference in a magnon-superconducting-resonator hybrid circuit, Nat. Commun. 16, 3649 (2025), DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58482-2※ 논문명 2: Single-shot electrical detection of short-wavelength magnon pulse transmission in a magnonic ultra-thin-film waveguide, npj Spintronics 3, 12 (2025),DOI: https://doi.org/10.1038/s44306-025-00072-5이번 연구는 KAIST 글로벌특이점연구사업과 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구, 선도연구센터, 양자정보과학인적기반 조성사업 및 미국 에너지부의 지원을 받아 수행됐다. 

[연구]세계 최초 카이럴자성 양자점 개발- 빛 구동 AI용 소자 구현​

< 염지현 신소재공학과 교수(좌), 권준영 신소재공학과 박사(우) >기존 양자점(quantum dots)에는 카이랄 방향성, 광학적 또는 자기적 특성을 복합적으로 구현하는 것이 매우 어려운 기술이었다. KAIST 연구진이 이런 한계를 극복하고, 세계 최초로 광학적 카이랄성과 자성의 융합 특성을 동시에 갖춘 ‘카이럴 자성 양자점’을 개발하고, 이를 활용하여 사람의 뇌처럼 정보를 보고, 판단하고, 저장하며 초기화할 수 있는 기능을 단일 소자에 집약해, 고성능 AI 하드웨어의 새로운 패러다임을 제시했다.우리 대학 신소재공학과 염지현 교수 연구팀이 빛에 의해 비대칭 반응하는 카이랄성과 자성을 동시에 갖는 특수 나노입자인 양자점(CFQD)을 세계 최초로 개발하고, 저전력 인간 뇌 구조와 작동 방식을 모방한 인공지능 뉴로모픽 소자(ChiropS)까지 성공적으로 구현했다.신소재공학과 염지현 교수 연구팀이 개발한 카이랄 양자점을 활용한 광 시냅스 트랜지스터는 편광 구분, 멀티 파장 인식, 전기 소거 등 다양한 기능을 단일 소자에 집약한 고속·고지능·저전력 AI 시스템 구현의 핵심 기술로 향후 광 암호화, 보안 통신, 양자 정보처리에도 활용될 수 있다.이번에 개발된 카이랄 자성 양자점은 은황화물(Ag2S) 기반의 무기 나노입자에 카이랄 유기물인 L-또는 D-시스테인을 도입해 합성한 것으로 빛의 편광 방향(원형 편광)에 따라 서로 다르게 반응하는 특성을 지닌다. 특히, 405, 488, 532 nm 등 가시광 전 영역에서 각각의 편광(LCP, RCP)에 따라 상이한 반응을 보여, 다채널 인식이 가능한 신경 시냅스 소자 플랫폼으로 활용할 수 있다. 또한, 물을 기반으로하여 친환경적으로 합성하고 그 안정성이 높다는 것에 상업적으로 큰 차별점이 있다.연구팀은 실리콘 위에 카이랄 자성 양자점을 활용한 은황화물층과 유기 반도체 펜타신을 적층한 시냅스 트랜지스터 구조를 제작했다. 해당 소자는 빛을 가하면 장기기억 특성(LTP)을 보이고 전기 펄스를 인가하면 초기화 되는 전기 소거 기능도 구현하여 뇌처럼 학습하고 적응할 수 있는 기능을 빛을 이용해서 인공적으로 만드는데 성공했다.< 카이랄 자성 양자점을 이용하여 제작한 뇌 모사 뉴로모픽 ChiropS 소자 모식도. 원형편광 방향성 및 다양한 파장을 이용하여 높은 집적도와 효과적인 에너지 절감을 구현 >또한, 반복하여 아주 짧은 시간동안 광 펄스(레이저 빛)을 비추게 되면 점진적으로 전류가 누적되며 단계적으로 증가하는 멀티 레벨 상태를 형성하였고, 이는 뇌처럼 인공지능이 학습하게 하는 시냅스 가중치 조절이 되고  다중 학습도 가능함을 의미한다.연구팀은 2×3 소자 어레이를 제작해 서로 다른 편광과 파장의 빛을 각각 비추었을때, 각 소자의 응답 전류가 뚜렷이 구분되는 것을 확인했다. 6개의 채널을 통해 총 9개의 정보를 병렬로 감지하고 처리할 수 있어, 기존 대비 최소 9배 이상의 정보량 처리가 가능함을 밝혔다.더 나아가, 이 소자는 빛(광)을 일정하게 받아도 복잡한 판단을 해주는 스마트 센서처럼 반응을 했다. 예를 들어, 이는 잡음(노이즈)을 걸러내고 신호를 증폭할 수 있는 기능을 소자 자체에 내장하고 있는 것처럼 자동 필터하는 역할을 한다. 실제로 손글씨(MNIST) 데이터에 잡음과 같은 가우시안 노이즈를 추가하고 소자에 통과시킬 경우, 고주파 잡음이 줄고 핵심 정보만 살아남는 효과가 확인되었다. 이를 통해 기존 컴퓨팅 기술 대비 최대 30% 적은 전력으로 구동이 가능했다고 밝혔다.이번 연구는 광학적 카이랄성과 자기적 스핀 특성을 하나의 나노소재에 융합함으로써, 기존에 구현되지 않았던 편광 구분 기능과 장기 기억 성능을 동시에 확보할 수 있다. 단일 소자에 감지(보기), 처리(판단), 기억(저장), 초기화(지우기) 기능 기능이 통합되어 있어 향후 고성능 인공지능 하드웨어를 더 작고 효율적으로 만들 가능성도 높다고 평가된다.< 카이랄 Ag2S CFQDs의 합성 및 광전자 특성 분석, a) 카이랄 Ag2S CFQDs의 합성 과정 모식도. b) L-시스테인을 카이랄 매개분자로 사용하여 합성한 Ag2S CFQDs의 고해상도 주사투과전자현미경 사진. 약 5 nm 크기의 양자점인 것을 알 수 있다. c) 해당 이미지의 고속 푸리에 변환(FFT, Fast Fourier Transform) 사진으로, 양자점 내부에 원자수준의 결함이 잘 유도된 것을 확인할 수 있다. d) L-Cys-Ag2S CFQDs의 자기적 성질을 보여주는 히스테리시스 곡선. e) L-, D-, DL-Cys-Ag2S CFQDs의 g-인자 스펙트럼. L-과 D-가 반반 섞인 DL-시스테인을 사용한 양자점의 경우 카이랄 광학적 활성 시그널이 없는 것을 볼 수 있고, L-과 D-를 각각 사용하여 합성한 양자점은 거울상으로 대칭이 되는 시그널이 잘 나오는 것을 확인할 수 있다. f) L-Cys-Ag2S CFQDs의 엑시톤 전이를 보여주는 원형 이색성(CD, Circular Dichroism), 형광 검출 원형 이색성(FDCD, Fluorescence Detected Circular Dichroism), Gaussian 피팅된 광여기 발광(PLE, Photoluminescence Excitation) 스펙트럼. 연구진이 유도한 원자수준 결함을 통해 양자점 내에 다양한 에너지 레벨이 생성되어, 시냅스를 구동할 때 다양한 파장을 활용할 수 있게 하는 장점이 있다. g) 펜타신/Ag2S/SiO2/Si 소자의 단면 주사 전자 현미경(SEM, Scanning Electron Microscopy) 이미지 (펜타신(50 nm)/Ag2S(50 nm)/SiO2 (100 nm)/Si). h) 초기 전자 상태에서의 에너지 밴드 구조 모식도. 암실 조건에서의 광 강화 및 전기적 삭제 동작 시연 >염지현 교수는“기존 양자점의 한계를 극복하기 위해 광학적 카이랄성과 자기적 스핀 특성을 융합한 새로운 개념의 양자점을 설계했다”며 “단일 소자가 다중 편광과 다중 파장을 처리할 수 있고, 전기 신호로 초기화할 수 있는 기능까지 통합한 만큼 저전력·고정밀 AI 시스템 구현을 위한 혁신적 플랫폼이 될 수 있다”고 강조했다.이번 연구는 국립부경대학교 나노융합공학전공 권준영 교수(전. KAIST 박사후연구원)와 KAIST 신소재공학과 김경민 교수 연구팀의 전재범 박사가 제1 저자로 참여했으며, 해당 논문은 국제 학술지 어드밴스드 머티리어스(Advanced Materials)에 4월 7일자 온라인 게재되었다.※ 논문명 : Chiroferromagnetic Quantum Dots for Chiroptical Synapse※ DOI : https://doi.org/10.1002/adma.202415366이번 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단 우수신진연구지원사업과 삼성전자 등의 지원을 받아 수행되었다. < 2 × 3 ChiropS 배열에서의 6채널 광 시냅스 작동 시연. a) L-시스테인 기반 Ag2S CFQDs(Chiral Ferromagnetic Quantum Dots)로 구성된 2 × 3 시냅스 배열의 소자 구조 개략도. 여섯 개 개별 소자는 각각 왼원편광, 오른원편광 및 세 가지 파장(405, 488, 532 nm)의 빛에 대응하는 여섯 채널에 할당되었다. b) 여섯 가지 조명 조건 하에서 다양한 게이트 전압에 따른 드레인 출력 전류. c) 여섯 채널에서 네 번의 프로그램/삭제(P/E) 사이클 동안의 동적 P/E 시연 결과. d) 여섯 시점(초기 삭제 상태, 네 번의 프로그래밍 상태, 최종 삭제 상태)에서의 각 시냅스에 걸린 전류를 색으로 표현한 히트맵 사진. >

[연구]양자 컴퓨터 오류정정에 필요한 양자얽힘 구현​

< 사진 1.(왼쪽부터) 물리학과 윤영도 석박통합과정, 노찬 석박통합과정, 라영식 교수, 곽근희 석박통합과정 >양자 컴퓨팅은 고전 컴퓨터로는 계산하기 어려운 문제를 효율적으로 해결할 수 있는 양자 기술이다. 양자 컴퓨터가 복잡한 연산을 정확히 수행하려면 연산 과정에서 발생하는 양자 오류를 정정하는 것이 필수적이다. 하지만 이에 필요한 양자얽힘 상태를 구현하는 것은 매우 큰 난관으로 여겨져 왔다.우리 대학 물리학과 라영식 교수 연구팀이 양자오류 정정 기술의 핵심이 되는 3차원 클러스터 양자얽힘 상태를 실험으로 구현하는데 성공했다고 25일 밝혔다.측정기반 양자 컴퓨팅은 특수한 양자얽힘 구조를 가진 클러스터 상태를 측정하여 양자 연산을 구현하는 새로운 패러다임의 양자 컴퓨팅 방식이다. 이러한 방식의 핵심은 클러스터 양자얽힘 상태의 제작에 있으며, 범용 양자컴퓨팅을 위해 2차원 구조의 클러스터 상태가 사용된다.하지만 양자연산에서 발생하는 양자오류를 정정할 수 있는 결함 허용 양자컴퓨팅(Fault-Tolerant Quantum Computing)으로 발전하려면 더욱 복잡한 3차원 구조의 클러스터 상태가 필요하다.기존 연구에서는 2차원 클러스터 상태 제작이 보고됐지만, 결함 허용 양자컴퓨팅에 필요한 3차원 클러스터 상태는 양자얽힘의 구조가 매우 복잡해 그동안 실험 구현이 이뤄지지 못했다.< 그림 1. (a) 실험 개략도. 800 nm 파장을 갖는 펄스 레이저가 이차 조화파 생성을 통해 400 nm 파장의 펄스 레이저로 변환되고, 이것이 비선형 결정 (PPKTP)에 입사해 다수의 양자얽힘 광원을 생성함. (b) 광학모드 기저 변경을 통한 3차원 클러스터 상태 생성 >연구팀은 펨토초 시간-주파수 모드를 제어하여 양자얽힘을 구현하는 기술을 개발함으로써 3차원 구조의 클러스터 양자얽힘 상태를 생성하는 데 최초로 성공했다.펨토초 레이저는 극도로 짧은 시간 동안 강한 빛 펄스를 방출하는 장치로, 연구팀은 비선형 결정에 펨토초 레이저를 입사시켜 여러 주파수 모드에서 양자 광원을 동시에 생성하고, 이를 활용하여 3차원 구조의 클러스터 양자얽힘을 생성했다.라영식 교수는 "이번 연구는 기존 기술로는 구현하기 어려웠던 3차원 클러스터 양자얽힘 상태 제작에 성공한 최초의 사례”라며, “향후 측정 기반 양자컴퓨팅 및 결함 허용 양자컴퓨팅 연구에 있어 중요한 발판이 될 것”이라고 말했다.< 그림 2. 3차원 클러스터 상태 생성 결과. (a) 클러스터 상태의 nullifier 측정. (b) 양자 상태 토모그래피로 재구성한 3차원 클러스터 상태. (c) 3차원 클러스터 상태의 양자얽힘 특성 확인 >물리학과 노찬 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 참여하고 곽근희, 윤영도 석박사통합과정 학생이 공동 저자로 참여한 이번 연구는 저명 국제 학술지 `네이처 포토닉스(Nature Photonics)'에 2025년 2월 24일 온라인판으로 정식 출판됐다. (논문명: Generation of three-dimensional cluster entangled state, DOI: 10.1038/s41566-025-01631-2)한편 이번 연구는 한국연구재단 (양자컴퓨팅 기술개발사업, 중견연구자 지원사업, 소재혁신 양자시뮬레이터 개발사업)과 정보통신기획평가원 (양자인터넷 핵심원천기술 사업, 대학ICT연구센터지원사업) 및 미국 공군연구소의 지원을 받아 수행됐다.

[연구]최대 11배 빨라진 PIM 반도체 네트워크 개발​

< (왼쪽부터) 전기및전자공학부 손효준 박사과정, 김동준 교수 >최근 인공지능, 빅데이터, 생명과학 등 연구에 사용되는 메모리 대역폭이 차지하는 비중이 높아, 메모리 내부에 연산장치를 배치하는 프로세싱-인-메모리(Processing-in-Memory, 이하 PIM) 반도체에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 국제 공동 연구진이 기존의 PIM 반도체가 내부장치를 활용하면서도 통신을 할때 반드시 PIM 반도체 외부로 연결되는 CPU를 통해야한다는 문제점으로 발생한 병목현상을 해결했다.우리 대학 전기및전자공학부 김동준 교수 연구팀이 미국 노스이스턴 대학(Northeastern Univ.), 보스턴 대학(Boston Univ.)와 스페인 무르시아 대학(Universidad de Murcia)의 저명 연구진과‘PIM 반도체 간 집합 통신에 특화된 인터커넥션 네트워크 아키텍처’를 통한 공동연구로 PIM 반도체의 통신 성능을 비약적으로 향상하는 기법을 개발했다고 19일 밝혔다.김동준 교수 연구팀은 기존 PIM 반도체가 갖는 메모리 내부 연산 장치 간 통신 구조의 한계를 밝히고, 기존에 메모리 내부에 존재하는 데이터 이동을 위한 버스 구조를 최대한 활용하면서 각 연산장치를 직접적으로 상호 연결하는 *인터커넥션 네트워크 구조를 적용함으로써 PIM 반도체의 통신 성능을 극대화하는 기법을 제안했다.※ 인터커넥션 네트워크(interconnection network): 다중 연산 장치를 포함하는 대규모 시스템 설계에 쓰이는 연산 장치 간 연결 구조를 말한다. 인터커넥션 네트워크는 다중 연산 장치를 포함하는 시스템 설계의 필수 요소 중 하나로써 시스템 규모가 커질수록 더욱 중요해지는 특징이 있다.이를 통해 PIM 반도체를 위한 연산 과정에서 통신 처리를 위한 CPU의 개입을 최소화해 PIM 반도체 시스템의 전체적인 성능과 활용성을 높인 PIM 반도체에 특화된 인터커넥션 네트워크 구조를 개발했다.메모리 공정은 복잡한 로직의 추가가 어렵다는 문제점이 있는데 김동준 교수팀이 개발한 네트워크 구조는 PIM에서 비용 효율적인 인터커넥트를 구현했다.이 구조는 병렬 컴퓨팅과 기계학습 분야에서 널리 활용되는 집합 통신(Collective communication) 패턴에 특화돼 있으며, 각 연산장치의 통신량과 데이터 이동 경로를 미리 파악할 수 있다는 집합 통신의 결정성(determinism) 특징을 활용해 기존 네트워크에서 비용을 발생시키는 주요 구성 요소들을 최소화시켰다.기존 PIM 반도체들이 통신하기 위해서는 CPU를 거쳐야만 하기 때문에 상당한 성능 손실이 있었다. 하지만, 연구팀은 PIM 특화 인터커넥션 네트워크를 적용하면 기존 시스템 대비 어플리케이션 성능을 최대 11배 향상했다고 밝혔다. 그 이유는 PIM 반도체의 내부 메모리 대역폭 활용률을 극대화하고 PIM 메모리 시스템의 규모가 커짐에 따라 통신 성능의 확장성이 함께 증가했기 때문이다.최근 미국 전기전자공학회(IEEE) 컴퓨터 아키텍쳐 분야에서는 한국 최초로 2025 IEEE 펠로우(석학회원)로 선임되었고 이 연구를 주도한 김동준 교수는 “데이터 이동(data movement)을 줄이는 것은 PIM을 포함한 모든 시스템 반도체에서 핵심적인 요소이며, PIM은 컴퓨팅 시스템의 성능과 효율성을 향상할 수 있지만 PIM 연산장치 간 데이터 이동으로 인해 성능 확장성이 제약될 수 있어 응용 분야가 제한적이고, PIM 인터커넥트가 이에 대한 해법이 될 수 있다”고 연구의 의의를 설명했다.< 그림 1. KAIST 김동준 교수 연구팀이 제안하는 PIM 특화 인터커넥트를 적용한 PIM 연산장치 간 통신 개념도 >전기및전자공학부 손효준 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 미국 네바다주 라스베이거스에서 열리는 컴퓨터 구조 분야 최우수 국제 학술대회인 ‘2025 IEEE International Symposium on High Performance Computer Architecture, HPCA 2025’에서 올 3월에 발표될 예정이다. (논문명: PIMnet: A Domain-Specific Network for Efficient Collective Communication in Scalable PIM)한편 이번 연구는 한국연구재단, 삼성전자, 정보통신기획평가원 차세대지능형반도체기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.