ETRI "양자컴퓨터 상용화 걸림돌 '초저온 장벽' 해소"

양자컴퓨터를 상용화하는 데 난관으로 꼽히던 냉각 비용과 대형 장비 구비 문제를 해결할 차세대 소재 및 공정 기술이 개발됐다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 위상절연체 기반의 차세대 양자소자 구현을 위한 핵심 기술을 개발해 기존보다 높은 온도에서 동작할 수 있는 차세대 초전도 큐빗을 구현할 가능성을 제시했다고 28일 밝혔다.

이우정 ETRI 위성절연체창의연구실장이 최근 한국물리학회 봄 학술대회에 참석해 위상절연체 기반의 차세대 양자소자 구현을 위한 핵심 기술을 소개하고 있다. 한국전자통신연구원

연구는 실험실 수준을 넘어 실제 산업 공정에 적용 가능한 4인치 웨이퍼 기반 기술을 확보했다는 점에서 의미를 갖는다. 양자컴퓨터의 실용화 가능성을 한 단계 끌어올렸다는 평가도 나온다.

현재 초전도 기반 양자컴퓨터는 극도로 낮은 온도에서만 작동해 수십 억원대의 희석 냉동 등 대형 장비가 반드시 필요하다. 이는 양자컴퓨터의 상용화와 대중화를 가로막는 가장 큰 제약으로 꼽혔다.

이와 달리 ETRI가 개발한 소재와 소자 기술은 극저온에서만 작동하던 양자 기술의 한계를 극복, 기존보다 100배가량 높은 1~4K(켈빈) 온도에서도 양자 특성을 유지할 수 있게 한다.

앞서 ETRI는 위상절연체 비스무스 셀레나이드(Bi2Se3) 박막을 웨이퍼 위에 균일하게 성장시키는 기술과 초전도체-위상절연체가 만나는 경계(이종접합 계면)를 정밀 제어하는 기술을 동시 개발했다.

특히 소면적 증착에 머물렀던 기존 위상절연체 소재를 4인치 웨이퍼 규모로 확장하고, 계면에서 발생하는 원자 확산을 제어해 초전도 특성이 유지될 수 있는 조건을 확보했다.

또 1~4K에서도 안정적으로 동작하는 양자소자 구현 가능성을 확인했다. 1~4K는 -272~-269도의 극저온 상태로 우주 공간 평균 온도(2.7K)와 비슷한 수준이다. 기존 초전도 양자컴퓨터에 요구되는 온도보다는 상대적으로 높은 온도로 냉각 장비 부담을 획기적으로 줄일 수 있다.

ETRI가 개발한 기술이 향후 양자소자로 구현된다면, 고가의 희석냉동기를 대신해 상대적으로 저렴한 범용 극저온 냉동기를 사용할 수 있다. 이를 통해 냉각 시스템 구축 비용을 기존 대비 1/10 수준으로 절감할 수 있을 것으로 ETRI는 내다본다.

복잡한 냉각 설비가 단순화되면서 장비 규모도 컨테이너 수준에서 서버 랙 수준으로 소형화할 수 있다. 산업 현장 적용 가능성이 높아지는 셈이다.

ETRI는 앞으로 1~4K에서 동작 가능한 초전도 큐빗 소자 구현을 목표로 위상절연체 기반의 이종접합 구조와 초전도 공진기 기술을 고도화하고, 양자회로 수준의 통합 플랫폼을 개발해 실제 양자소자를 구현할 핵심 기술 확보에 나설 계획이다.

이우정 ETRI 위상절연체창의연구실장은 "ETRI는 이번 연구로 확보한 소재 기술과 초전도 공진기 기술을 결합해 1~4K에서 동작하는 경제·실용적인 양자컴퓨팅 플랫폼 구현을 추진할 계획"이라고 말했다.

유원필 ETRI 인공지능창의연구소장은 "이번 연구 성과는 양자컴퓨팅 냉각 기술의 한계를 극복할 중요한 연구 결과로, 양자컴퓨팅 기술 경쟁력을 확보하는 데도 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr