차세대 초전도 큐비트 구현을 위한 요소 기술이 확보됐다. 1~2년 내 양자컴퓨터 초저온 장벽이 제대로 깨질 지 귀추가 주목됐다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 창의원천연구본부 위상절연체창의연구실이 기존보다 수백~수 천배 높은 온도인 1~4K 환경에서도 양자 특성을 유지할 수 있는 색심 소재와 소자 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

이는 기존보다 훨씬 높은 온도에서 동작할 수 있는 차세대 초전도 큐비트 구현 가능성을 제시한 셈이다.

이우정 ETRI 위상절연체창의연구실장은 지디넷코리아와의 전화통화에서 "큐비트 자체를 구현한 단계는 아니다. 1~4K에서 동작하는 큐비트를 만든다는 것이 결코 쉬운 일이 아니다"며 "현재 이 같은 큐비트 구현을 위한 소재와 이종접합 계면 제어 기술을 확보했다고 보면 된다"고 말했다.

이 실장은 "올해 상반기 큐비트 설계도가 나온다. 1~2년 내 큐비트를 제작할 하드웨어 단위 공정 기술을 확보할 것으로 예상한다"고 덧붙였다.

현재 초전도 기반 양자컴퓨터는 수십 mK(밀리켈빈, 0.001K 수준)처럼 극도로 낮은 온도에서만 작동하기 때문에 희석냉동기와 같은 대형 장비가 필수다. 이는 양자컴퓨터 상용화와 대중화를 가로막는 큰 제약 가운데 하나로 지적돼 왔다.

연구팀은 위상절연체 '비스무스 셀레나이드' 박막을 웨이퍼 위에 균일하게 성장시키는 기술과 초전도체와 위상절연체가 만나는 경계(이종접합 계면)를 정밀하게 제어하는 기술을 개발했다.

이 소재는 기존보다 약 수백~수천 배 높은 온도인 1~4K(켈빈) 환경에서도 양자 특성을 유지한다. 또 이 소재를 4인치 웨이퍼 규모로 확장하는데도 성공했다. 이종접합 계면에서 발생하는 원자 확산을 제어, 초전도 특성이 유지될 수 있는 조건을 확보한 것.

1~4K 온도는 -272~-269도의 매우 낮은 온도지만, 우주 공간 평균 온도(약 2.7K)와 비슷한 수준이다. 이는 기존 초전도 양자컴퓨터가 요구하는 온도보다 훨씬 높은 온도다.

연구팀은 향후 이 기술이 실제 양자소자로 구현될 경우, 수십억원대 희석냉동기 대신 상대적으로 저렴한 범용 극저온 냉동기(크라이오쿨러) 사용이 가능해 냉각 시스템 구축 비용을 10분의 1 가량 절감할 수 있을 것으로 예측했다.

현재 초전도 양자컴퓨터 크기는 냉각 설비가 대부분을 차지한다. 연구팀은 이 기술이 모두 개발되면, 냉각 설비 단순화로 장비 크기가 기존 컨테이너 수준에서 서버 랙 수준으로 소형화할 것으로 전망했다.

한편 이번 연구를 통해 ETRI는 차세대 초전도 큐비트 구현에 필요한 4대 핵심 원천기술을 확보했다. 4대 원천기술은 ▲셀레늄 활성화 공정 확보 ▲고온초전도체와 위상절연체 간 원자 확산 메커니즘 규명 ▲셀레늄 버퍼층 삽입하는 계면공학기술 개발 ▲위상절쳔체 기초물리 데이터 확보 등이다.

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연구팀은 향후 확보된 소재 기술과 초전도 공진기 기술을 결합해 1~4K에서 동작하는 경제적이고 실용적인 양자컴퓨팅 플랫폼 구현을 추진할 계획이다.

유원필 ETRI 인공지능창의연구소장은 “양자컴퓨팅 냉각 기술 한계를 극복할 수 있는 중요한 요소기술을 확보한 것"이라며 "양자컴퓨팅 기술 경쟁력 확보에 크게 기여할 것"이라고 기대했다.