양자컴퓨터 '저온·부피' 장벽 해결할 차세대 소재·공정 기술 확보

ETRI, 차세대 초전도 큐빗 구현 가능성 제시

위상절연체 기반 차세대 양자소자 구현을 위한 핵심 기술을 개발한 한국전자통신연구원(ETRI) 위상절연체창의연구실 연구진(ETRI 제공)/뉴스1

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 국내 연구진이 양자컴퓨터 상용화의 가장 큰 걸림돌로 꼽혀온 극저온 냉각 비용과 대형 장비 문제를 동시에 해결할 수 있는 차세대 소재 및 공정 기술을 확보했다.

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

현재 초전도 기반 양자컴퓨터는 수십 밀리켈빈(mK)처럼 극도로 낮은 온도에서만 작동하기 때문에 수십억원대의 희석냉동기와 같은 대형 장비가 필수적이다. 이는 양자컴퓨터의 상용화와 대중화를 가로막는 가장 큰 제약으로 꼽힌다.

ETRI 연구진은 매우 낮은 온도에서만 작동하던 양자 기술의 한계를 극복하기 위해 기존보다 약 100배 높은 온도인 1~4켈빈(K) 환경에서도 양자 특성을 유지할 수 있는 소재와 소자 기술을 개발했다.

연구진은 위상절연체 비스무스 셀레나이드(Bi2Se3) 박막을 웨이퍼 위에 균일하게 성장시키는 기술과 초전도체와 위상절연체가 만나는 경계(이종접합 계면)를 정밀하게 제어하는 기술을 함께 개발했다.

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

이를 통해 1~4K에서도 안정적으로 동작하는 양자소자 구현 가능성을 확인, 양자 플랫폼 구현을 앞당길 것으로 기대된다.

1~4K 온도는 약 272~-269도의 매우 낮은 온도지만, 우주 공간 평균 온도와 비슷한 수준으로 기존 초전도 양자컴퓨터가 요구하는 온도보다 높다. 이에 냉각 장비 부담을 크게 줄일 수 있다.

향후 이 기술이 실제 양자소자로 구현되면 고가의 희석냉동기 대신 상대적으로 저렴한 범용 극저온 냉동기를 사용할 수 있어 냉각 시스템 구축 비용을 약 10분의 1 수준으로 절감할 수 있을 전망이다.

또 복잡한 냉각 설비가 단순화되면서 장비 규모도 기존 컨테이너 수준에서 서버 랙 수준으로 소형화할 수 있어 산업 현장 적용 가능성이 높다.

이번 연구 성과는 소재 성장, 계면 분석, 공정 기술을 아우르는 총 4편의 논문으로 국제학술지에 연이어 게재돼 기술적 우수성을 입증했다.

이우정 위상절연체창의연구실장은 "이번 성과는 소재 성장부터 계면 제어까지 전 주기 기술을 확보했다는 데 의미가 있다"며 "향후 확보된 소재 기술과 초전도 공진기 기술을 결합해 1~4K에서 동작하는 경제적이고 실용적인 양자컴퓨팅 플랫폼 구현을 추진할 계획"이라고 설명했다.

유원필 인공지능창의연구소장은 "이번 성과는 양자컴퓨팅 냉각 기술의 한계를 극복할 수 있는 중요한 연구 결과"라며 "향후 양자컴퓨팅 기술 경쟁력 확보에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

jongseo12@news1.kr