양자컴퓨터 극저온 냉각 한계 극복… 1∼4K 조건서 양자소자 구현

ETRI, 기존 대비 100배 높은 온도서 양자특성 유지
차세대 소자 및 소자기술 확보… 냉각비용 절감, 소형화 기대

ETRI 연구진이 양자물질을 적용한 소자를 측정하고 있다. ETRI 제공.

초전도 양자컴퓨터 상용화의 걸림돌로 꼽혀온 극저온 냉각 비용과 대형 장비 문제를 해결할 수 있는 차세대 소재 및 공정 기술이 개발됐다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 기존보다 약 100배 높은 온도인 1∼4K(캘빈, 0K은 영하 273도) 환경에서 양자특성을 유지할 수 있는 소재와 소자 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

초전도 기반 양자컴퓨터는 수십 mK(밀리캘빈, 0.001K 수준)처럼 극도로 낮은 온도에서만 작동하기 때문에 수십 억원대의 희석 냉동기와 같은 대형 장비가 필수적이다.

연구팀은 위상절연체 비스무스 셀레나이드 박막을 웨이퍼 위에 균일하게 성장시키는 기술, 초전도체와 위상절연체가 만나는 경계(이종접합 계면)를 정밀 제어하는 기술을 통해 1∼4K에서 안정적으로 동작하는 양자소자 구현 가능성을 확인했다.

ETRI가 개발한 위상절연체 기반 고온 큐비트 소자 구현을 위한 실험용 칩. ETIR 제공.

매우 낮은 온도에서만 작동하던 양자기술의 한계를 극복하고, 기존보다 100배 높은 환경에서 초전도 특성이 유지될 수 있도록 구현한 것 것이다.

1∼4K 온도는 영하 272∼269도의 매우 낮은 온도지만, 우주공간 평균 온도(약 2.7K)와 비슷한 수준으로 기존 초전도 양자컴퓨터가 요구하는 온도보다 훨씬 높아 냉각장비 부담을 크게 줄일 수 있다.

고가의 희석냉동기 대신 상대적으로 저렴한 범용 극저온 냉동기를 사용할 수 있어 냉각 시스템 구축 비용을 10분의 1 수준으로 절감하면서 소형화도 가능할 것으로 연구팀은 설명했다.

이우정 ETRI 위상절연체창의연구실장은 "이번 성과는 소재 성장부터 계면 제어까지 전 주기 기술을 확보해 양자컴퓨팅 냉각기술의 한계를 극복했다는 데 의미가 있다"면서 "앞으로 1∼4K에서 동작 가능한 초전도 큐비트 소자 구현을 목표로 기술을 고도화할 계획"이라고 말했다.

연구결과는 지난 21일 한국물리학회 봄 학술대회에서 발표됐다.

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr