1~4K 동작 가능성 제시…극저온 장비 부담 완화
4인치 웨이퍼 공정 확보…상용화 단계 진입 신호

양자컴퓨터 상용화를 가로막아온 극저온 냉각 비용과 대형 장비 문제를 동시에 해결할 기술이 국내에서 개발됐습니다. 기존보다 훨씬 높은 온도에서 작동 가능한 소자 구현 가능성이 제시돼 산업 적용까지의 거리가 한층 좁아졌다는 평가입니다.

한국전자통신연구원이 위상절연체 기반 차세대 양자소자 기술을 개발해 1~4K(켈빈) 환경에서도 양자 특성을 유지할 수 있는 초전도 큐빗 구현 가능성을 확보했습니다.

지금까지 초전도 양자컴퓨터는 수십 mk밀리켈빈(밀리켈빈, 0.001K) 수준의 극저온에서만 동작해 왔습니다. 이 때문에 수십억 원대 희석냉동기와 대형 설비가 필수적입니다. 이는 상용화의 가장 큰 장벽으로 지목돼 왔습니다.

연구진은 이를 극복하기 위해 소재와 공정 단계에서 접근했습니다. 위상절연체 비스무스 셀레나이드(Bi₂Se₃) 박막을 웨이퍼 위에 균일하게 성장시키고, 초전도체와 만나는 계면을 정밀하게 제어하는 기술을 동시에 확보했습니다. 기존에는 소면적 실험에 머물던 기술을 4인치 웨이퍼 수준으로 확장했다는 점이 핵심입니다.

특히 서로 다른 물질이 만나는 계면에서 발생하는 원자 확산을 억제하는 방법을 찾아냈습니다. 초전도체 내부의 구리 원자가 위상절연체로 이동하면서 성능을 떨어뜨리는 문제를 확인하고, 얇은 셀레늄 층을 삽입해 이를 차단했습니다.

이로써 기존보다 약 100배 높은 1~4K 온도에서도 안정적으로 작동할 수 있는 조건이 마련됐습니다. 1~4K는 여전히 약 ?272~-269 oC의 극저온이지만, 우주 공간 평균 온도(약 2.7K)와 비슷한 수준으로 기존 초전도 양자컴퓨터가 요구하는 온도보다 훨씬 높은 온도입니다. 이에 따라 냉각 장비 부담을 크게 줄일 수 있습니다.

기술이 실제 양자소자로 구현될 경우, 고가의 희석냉동기 대신 범용 극저온 냉동기 사용이 가능해지면서 냉각 시스템 비용은 최대 10분의 1 수준까지 줄어들 것으로 전망됩니다.

또 복잡한 냉각 설비가 단순화되면서 장비 규모 역시 컨테이너급에서 서버 랙 수준으로 소형화가 가능해 산업 현장 적용 가능성이 높아질 것으로 기대됩니다.

연구진은 이번 성과로 ▲대면적 위상절연체 성장 ▲계면 확산 메커니즘 규명 ▲버퍼층 기반 계면 제어 ▲전하 수송 특성 분석 등 핵심 기술을 확보했다고 설명했습니다.

소재 성장과 계면 분석, 공정 기술을 아우르는 총 4편의 이번 연구 논문은 국제 학술지, Applied Surface Science Advances, Crystal Growth & Design 등에 잇따라 발표됐습니다.

연구를 이끈 이우정 위상절연체창의연구실장은 "이번 성과는 소재 성장부터 계면 제어까지 전 주기 기술을 확보했다는 데 의미가 있다"며 "앞으로 경제성과 실용성을 갖춘 양자컴퓨팅 플랫폼으로 발전시킬 계획"이라고 말했습니다.