더 빠르고 효율적인 컴퓨팅 기술을 추구하기 위해 전 세계 과학자들은 컴퓨터가 정보를 처리하는 데 '전기'가 아닌 '빛'을 사용하도록 노력하고 있습니다. 최근 호주 모나쉬 대학교(Monash University) 연구팀은 이 분야에서 획기적인 진전을 이루었습니다. 그들은 오랫동안 이 분야의 발전을 방해해 왔던 주요 기술적 병목 현상을 극복하고 단일 장치에서 광 신호의 생성, 제어 및 판독을 처음으로 달성한 새로운 유형의 나노 규모 마이크로칩을 성공적으로 개발했습니다.
이 획기적인 발전의 핵심은 정보를 저장하고 인코딩하기 위해 첨단 재료 내부의 양자 특성(즉, "자유도")을 사용하는 것을 목표로 하는 "밸리 전자공학"이라는 최첨단 분야에서 비롯됩니다. 과학계는 오랫동안 이 기술을 초고속 컴퓨팅, 낮은 에너지 소비 및 강력한 통신 시스템을 달성할 수 있는 잠재적인 방법으로 간주해 왔지만 모든 핵심 기능을 컴팩트한 플랫폼에 통합하는 방법은 극복할 수 없는 문제였습니다.
Chi Li 박사, Kaijian Xing 박사, Haoran Ren 박사를 포함한 학자들로 구성된 연구팀이 이 과제를 해결했습니다. 그들이 개발한 나노 규모의 회로는 특정 광신호를 생성하고 동일한 칩에서 그 전송 방향을 정밀하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라 이를 전기 신호로 원활하게 변환할 수 있습니다.
연구원들에 따르면, 칩의 제조 공정은 매우 혁신적입니다. 이 기술은 원자 몇 개 두께의 초박형 소재와 인간 머리카락 직경보다 작은 미세한 규모로 빛을 조작할 수 있는 메타표면(metasurface)이라는 공학적 나노구조를 결합합니다. 연구팀은 초박형 소재의 깨지기 쉬운 구조를 파괴하지 않기 위해 새로운 적층 적층 방식을 채택해 광자 구조 위에 직접 소재를 성장시키는 기술적 어려움을 피함으로써 완전한 칩 레벨 시스템을 만드는데 성공했다.
전자를 사용하여 회로 내에서 이동하는 기존 컴퓨터 칩과 비교하여 광자 시스템은 빛을 사용하여 데이터를 전송하므로 열 발생량이 적고 속도가 빠르다는 자연스러운 장점이 있습니다. 앞으로 이 광자 기술은 데이터센터, 인공지능 시스템, 통신망 등의 처리 속도를 획기적으로 높이는 동시에 에너지 소비도 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
업계에서 더욱 흥미로운 점은 시스템이 완전히 실온에서 실행될 수 있다는 것입니다. 많은 실험적 양자 기술은 극도로 추운 환경에서 작동하기 위해 복잡하고 값비싼 냉동 장비에 의존하는 경우가 많습니다. 모나쉬 대학의 이번 성과는 이러한 한계를 완전히 없애고 극도로 높은 수준의 소형화를 보여줌으로써 이 기술이 실험실을 벗어나 상용 장비로 옮겨가는 것을 가능하게 했습니다.
칩의 실제 작동 능력을 확인하기 위해 연구원들은 실험에서 두 개의 독립적인 이미지를 동시에 인코딩하고 처리하는 데 이를 사용하여 여러 정보 흐름을 병렬로 관리하는 시스템의 성능을 성공적으로 입증했습니다.
모나쉬 대학교 물리천문학부 나노포토닉스 연구소 소장인 스테판 A. 마이어(Stefan A. Maier) 교수는 이번 연구가 칩에 빛과 양자 물질을 완벽하게 결합해 정보를 인코딩하고 처리하는 새로운 방법을 열었으며 밸리 전자공학의 실제 적용을 촉진하는 중요한 단계라고 말했습니다. 연구팀은 이번 성과가 양자컴퓨팅, 첨단 영상기술, 차세대 광통신 시스템 등 분야에 활용 가능성이 크다고 지적했다.
관련 연구 결과가 국제 최고 학술지 '네이처 포토닉스'(Nature Photonics) 2026년 5월 25일자에 게재됐다.