ETRI 연구진이 양자물질을 적용한 소자를 측정하고 있다.[ETRI 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 차세대 양자소자 구현을 위한 핵심 기술 개발에 성공했다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 기존보다 훨씬 높은 온도에서 동작할 수 있는 차세대 초전도 큐빗 구현 가능성을 제시했다고 28일 밝혔다.

특히 이번 성과는 실험실 수준을 넘어 실제 산업 공정에 적용할 수 있는 4인치 웨이퍼 기반 기술을 확보했다는 점에서 향후 양자컴퓨터의 실용화 가능성을 한층 끌어올린 성과로 평가된다.

현재 초전도 기반 양자컴퓨터는 수십 mK(밀리켈빈, 0.001K 수준)처럼 극도로 낮은 온도에서만 작동하기 때문에 수십억 원대의 희석냉동기와 같은 대형 장비가 필수적이다.

이는 양자컴퓨터의 상용화와 대중화를 가로막는 가장 큰 제약으로 지적돼 왔다.

ETRI 연구진은 이렇게 매우 낮은 온도에서만 작동하던 양자 기술의 한계를 극복하기 위해 기존보다 약 100배 높은 온도인 1~4K(켈빈) 환경에서도 양자 특성을 유지할 수 있는 소재와 소자 기술을 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 확인했으며, 양자 플랫폼 구현을 앞당길 것으로 기대된다.

개발한 위상절연체 기반 고온 큐빗 소자 구현을 위한 실험용 칩.[ETRI 제공]

1~4K 온도는 약 272~-269 oC의 매우 낮은 온도지만, 우주 공간 평균 온도(약 2.7K)와 비슷한 수준으로 기존 초전도 양자컴퓨터가 요구하는 온도보다 훨씬 높은 온도다. 이에 따라 냉각 장비 부담을 크게 줄일 수 있다.

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

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

연구진은 앞으로 1~4K에서 동작 가능한 초전도 큐빗 소자 구현을 목표로 위상절연체 기반 이종접합 구조와 초전도 공진기 기술을 고도화하고 양자회로 수준의 통합 플랫폼 개발로 연구를 확장할 계획이다.