전북대, ‘노이즈 없는 양자컴퓨터’ 구현 길 열었다

김희대 교수팀, 은 나노입자+그래핀 기반 ‘광압 발전기’ 효율 3배 향상…Carbon Energy 게재

전북대학교(총장 양오봉) 반도체과학기술학과 김희대 교수 연구팀이 전기가 필요 없는 차세대 양자컴퓨터 구현 가능성을 제시하며 양자컴퓨팅 하드웨어 혁신의 새로운 돌파구를 열었다. 김 교수 연구팀은 빛 압력(Light Pressure)을 이용해 전기를 생산하는 ‘광압 발전기(LPEG, Light Pressure Electric Generator)’의 발전 효율을 기존 대비 3배 이상 향상시키는 데 성공했다고 밝혔다. 이 연구 결과는 에너지 분야 세계적 학술지 『Carbon Energy』(IF 25.28, JCR 상위 3%) 최신호에 게재됐다.

이번 연구의 핵심은 은(Ag) 나노입자와 그래핀 옥사이드(GO)를 결합해 빛의 압력만으로 전기를 생산하는 신개념 발전 구조를 구현한 것이다. 기존 광압 발전기는 금속 나노입자에 빛이 닿을 때 발생하는 압력을 활용했지만, 나노입자 간의 간격이 일정하지 않아 에너지 손실이 발생하는 한계가 있었다. 연구팀은 그래핀 옥사이드를 나노입자 사이에 삽입해 균일한 나노 간격을 유지하는 ‘스페이서(Spacer)’로 활용했다. 이 구조 덕분에 나노입자 간 전기장이 집중되는 ‘핫스팟(Hot Spot)’이 형성되었고, 에너지 변환 효율이 대폭 향상됐다. 그 결과 발전기 출력은 241mV, 3.1μA → 310mV, 9.3μA로 증가하며 기존 대비 약 3배 수준의 성능 개선을 달성했다.

연구팀은 라만(Raman) 분광 분석, FDTD(Finite-Difference Time-Domain), COMSOL Multiphysics 시뮬레이션을 통해 나노입자 사이의 전기장 강화 현상이 발전 효율을 높이는 핵심 메커니즘임을 규명했다. 특히 이 기술은 외부 전원이 필요하지 않기 때문에 전기적 노이즈(Noise)로부터 자유롭다. 이는 정밀한 계산이 필수적인 양자컴퓨터(Quantum Computer) 분야에서 중요한 하드웨어적 이점을 제공할 수 있다. 연구팀은 이번 기술을 발전시켜 극저온 환경의 양자컴퓨터 내부에서 자체적으로 에너지를 생성·활용할 수 있는
완전 독립형 구조를 목표로 연구를 확장하고 있다.

김희대 교수는 “이번 연구는 외부 전원을 제거한 ‘노이즈 없는(Noise-Free) 양자컴퓨터’ 하드웨어 구조 개발의 중요한 출발점”이라며 “전기 대신 빛으로 구동되는 양자 하드웨어는 기존 시스템의 한계를 넘어서는 새로운 패러다임을 제시할 것”이라고 밝혔다. 이번 연구는 전북대 이하영 박사(공동 제1저자, G-LAMP사업단), 해양대학교 이삼녕 명예교수·안형수 교수, 강남대학교 황선령 교수 등과 공동으로 수행됐다.

연구팀은 향후 LPEG 기술을 양자컴퓨터뿐 아니라 광기반 에너지 변환, 고감도 센서, 자가구동형 나노소자 등
차세대 전자소자 분야로 확장할 계획이다. 또한 외부 전력 의존도를 낮추고 초저소비·고정밀 하드웨어를 구현하는
‘무전원 에너지 시스템’ 연구를 이어갈 예정이다.

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