ETRI, 양자컴퓨터 핵심 기술로 ‘초저온 장벽’ 낮췄다

[충청투데이 조정민 기자] 양자컴퓨터 상용화의 최대 난제로 꼽혔던 '절대 영도'의 장벽에 균열이 생기기 시작했다.

국내 연구진이 기존보다 약 100배 높은 온도에서도 작동 가능한 양자 소재 공정을 개발하며 거대하고 비싼 냉각 장치 없이도 구동되는 '실용적 양자컴퓨팅'의 가능성을 열었다.

28일 한국전자통신연구원(ETRI)에 따르면 차세대 양자소재인 위상절연체 '비스무스 셀레나이드(Bi2Se3)'를 활용, 1~4K(켈빈) 온도 범위에서 동작하는 초전도 큐빗 구현의 핵심 기술을 확보했다.

이는 기존 초전도 양자컴퓨터가 요구하던 수십 mK(밀리켈빈) 수준의 극저온 환경을 우주 공간의 평균 온도 수준까지 끌어올린 성과다.

이번 연구의 핵심은 '실험실 단계'에 머물던 소재 기술을 '산업 공정'으로 끌어올렸다는 점에 있다.

연구팀은 4인치 웨이퍼 위에 위상절연체 박막을 균일하게 성장시키는 기술과 더불어, 소재 간 결합 부위에서 발생하는 원자 확산 문제를 제어하는 '계면 공학' 기술을 동시에 입증했다.

특히 초전도체와 위상절연체가 만날 때 내부 구리(Cu) 원자가 확산되어 성능을 떨어뜨리는 현상을 규명하고 이를 방어하기 위해 원자 단위의 '셀레늄(Se) 버퍼층'을 삽입하는 해법을 제시했다.

이 기술이 실제 소자로 구현될 경우 양자컴퓨터의 경제적 구조는 완전히 뒤바뀐다.

현재 양자컴퓨터는 극저온 유지를 위해 수십억 원대에 달하는 희석냉동기와 컨테이너 규모의 부속 설비가 필수적이다.

그러나 1~4K에서 작동이 가능해지면 범용 극저온 냉동기를 사용할 수 있어 냉각 시스템 구축 비용을 약 10분의 1 수준으로 줄일 수 있다.

장비 규모 역시 서버 랙 수준으로 소형화가 가능해져, 특수 시설이 아닌 일반 산업 현장으로의 도입 가능성이 커진다.

ETRI는 향후 1~4K 온도에서 안정적으로 작동하는 조셉슨 접합 소자 연구와 양자회로 통합 플랫폼 개발에 집중할 계획이다.

이번 연구는 소재 성장부터 계면 분석, 공정 기술에 이르는 전 주기를 국산화했다는 점에서 의미가 크며 관련 성과는 'Applied Surface Science Advances' 등 주요 국제 학술지에 게재되며 기술적 객관성을 확보했다.

조정민 기자 jeongmin@cctoday.co.kr

속보