[쿠키과학] "양자컴 초전도 큐빗, 고온 구동"… ETRI, '냉각비 10분의 1' 공정기술 확보

한국전자통신연구원(ETRI)이 양자컴퓨터 상용화를 가로막던 극저온 냉각비용과 대형장비 부담을 동시에 낮출 수 있는 기술을 확보했다.

ETRI 연구진은 위상절연체 기반 양자소자 핵심 기술을 확보하고, 기존보다 높은 온도에서 동작하는 초전도 큐빗 구현 가능성을 확인했다고 28일 밝혔다.

이번 연구성과는 특히 4인치 웨이퍼 공정을 적용, 실험실 단계를 넘어 실제 제조 공정으로 확장할 기반도 마련한 것이 큰 의미를 갖는다.

현재 초전도 양자컴퓨터는 수십 mK 수준의 극저온 환경에서만 작동해 희석냉동기와 같은 고가 장비가 필수로 요구된다. 

연구진은 이 같은 제약을 낮추기 위해 작동 온도를 기존 보다 100배 높은 1~4K 수준까지 끌어올리는 소재·공정 기술을 개발에 착수했다.

이 온도 구간은 영하 272~269℃ 수준으로, 기존 시스템과 비교하면 냉각 부담이 크게 줄어든다. 

이 정도 수준의 범용 극저온 냉동기 적용이 가능할 경우 냉각 비용을 10분의 1 수준으로 줄일 수 있고, 도시에 장비 규모도 대형 설비에서 서버 랙 수준으로 줄일 수 있어 활용 범위가 크게 확장된다.

이번 기술 성과는 소재 성장과 계면 제어에서 동시에 나타났다. 

연구진은 위상절연체 비스무스셀레나이드(Bi₂Se₃)’ 박막을 4인치 웨이퍼 전면에 균일하게 형성하는 공정을 확보했다. 

Bi₂Se₃는 내부는 전기가 통하지 않지만 표면에서는 전류가 흐르는 특성을 갖는다.

이와 함께 연구진은 초전도체와 위상절연체가 맞닿는 계면에서 성능 저하 원인을 규명했다. 

분석 결과 초전도체 내부 구리 원자가 위상절연체로 이동하면서 특성이 약화되는 현상을 확인했다.

연구진은 이 문제를 해결하기 위해 두 물질 사이에 셀레늄 버퍼층을 삽입하는 방식으로 계면 구조를 개선했다. 

이 공정은 원자 확산을 억제하고 결정성을 높여 비교적 높은 온도에서도 초전도 특성이 유지되도록 만든다. 

아울러 위상절연체 내 전하 이동 특성을 분석해 향후 양자소자 설계에 필요한 기초 데이터도 확보했다.

이번 연구는 소재 공정, 계면 분석, 소자설계 기반 기술을 통합한 성과로 인정받고 있다. 

연구진은 향후 1~4K 환경에서 동작하는 초전도 큐빗 소자를 구현하고, 양자회로 수준 통합 플랫폼으로 연구를 확장할 계획이다. 

동시에 이종접합 기반 조셉슨 접합과 초전도 공진기 기술을 결합해 실제 양자소자 구현에 속도를 낼 방침이다.

이우정 ETRI 위상절연체창의연구실장은 “소재부터 공정까지 전 과정을 자체 기술로 확보했다”며 “1~4K 환경에서 동작하는 실용적 양자컴퓨팅 플랫폼 구현을 추진하겠다”고 설명했다.

유원필 ETRI 인공지능창의연구소장은 “이번 연구로 냉각기술 제약을 낮출 수 있는 계기를 마련, 양자컴퓨팅 분야 경쟁력 확보에 도움이 될 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 국제학술지 ‘Applied Surface Science Advances’, ‘Crystal Growth & Design’ 등에 게재됐고, 한국물리학회 학술대회에서 발표됐다.