광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 윤훈한 반도체공학과 교수팀이 김요셉 고려대학교 물리학과 교수, 미국 캘리포니아대학교 버클리(UC Berkeley) 및 로렌스버클리국립연구소(LBNL) 연구진과 함께 초전도 양자컴퓨터의 핵심 부품인 '조셉슨 접합' 소자의 소재와 제조 기술을 종합 분석하고, 양자컴퓨터 실용화를 위한 기술 발전 방향을 제시했다고 3일 밝혔다.
양자컴퓨터는 양자역학의 원리를 이용해 기존 컴퓨터로는 계산하기 어려운 분자와 물질의 특성 등을 분석할 수 있어 신약 개발과 신소재 연구 등 다양한 분야에서 활용이 기대된다. 이 가운데 초전도 양자컴퓨터는 반도체 칩과 유사한 방식으로 회로를 제작하고 전기적으로 제어할 수 있어 활발히 연구되고 있다.
초전도 양자컴퓨터의 기본 정보 단위인 '큐비트'를 구현하고 제어하는 데 조셉슨 접합 소자가 핵심적인 역할을 한다. 조셉슨 접합 소자를 제작할 때 얇은 장벽의 두께나 접합 면적, 원자 배열에 미세한 차이만 생겨도 큐비트의 작동 특성이 달라질 수 있다.
연구진은 초전도 양자컴퓨터 실용화를 위해 조셉슨 접합 기술이 해결해야 할 핵심 과제를 다섯 가지로 정리했다. 구체적으로 △소자 간 특성 편차를 줄이고 높은 수율로 일관되게 제작하는 제조 균일성·재현성 △양자정보를 오래 유지하기 위한 에너지 손실 저감 △작동 중 큐비트의 주파수와 큐비트 사이의 상호작용을 조절하는 기능 △더 많은 큐비트를 집적하기 위한 큐비트 회로의 소형화 △소재와 접합·회로 구조를 활용해 양자정보를 잡음에 덜 민감하게 만드는 보호 설계다.
이러한 다섯 가지 과제를 기준으로 현재 널리 사용되는 알루미늄 기반 조셉슨 접합의 성과와 한계를 분석하고, 차세대 소재와 접합 구조가 각 과제를 해결하는 데 어떤 가능성을 갖는지 살펴봤다. 소재 원자 배열과 조성, 접합 및 주변 계면의 품질에 관한 분석을 극저온에서 측정한 큐비트 성능과 연결하는 평가 방향을 정리했다.
이번 연구는 소재 개발부터 소자 제작, 양자 회로 설계와 대규모 제조에 이르는 서로 다른 연구 단계를 하나의 관점에서 연결했다는 점에서 의미가 있다. 이를 통해 관련 분야 연구자들이 양자컴퓨터의 성능과 생산성을 높이기 위해 어떤 소재·공정 기술을 우선적으로 개발해야 할지 판단하는 데 도움을 줄 것으로 기대된다.
특히 반도체 산업에서 축적된 박막 형성과 미세 패턴 가공, 계면 제어, 공정 관리 및 집적화 기술을 초전도 양자소자 제조에 접목하는 방향을 제시했다. 개별 소자의 성능 향상을 넘어, 웨이퍼 전체에서 높은 큐비트 성능과 균일한 특성·수율을 함께 확보하고 설계와 제조를 연결하는 공통 공정·평가 기준을 마련하는 것이 중요하다. 양자소자를 전문적으로 위탁 생산하는 '양자 파운드리' 생태계로 발전하는 데 필요하며, 관련 소재·공정 기술은 초전도 기반 정밀 센서와 양자통신 소자 개발에도 활용될 수 있다.
윤훈한 교수는 “반도체 산업에서 활용하는 정밀 공정 및 분석 기술을 초전도 양자컴퓨터 제작에 적용하되, 양자정보의 손실을 유발하는 오염과 공정 손상을 최소화해야 한다”며, “반도체 소재·공정 기술을 활용해 양자컴퓨터의 안정성과 대규모 집적 가능성을 높이는 구체적인 연구 방향을 제시하고, '양자 파운드리' 생태계의 발전 필요성을 강조했다는 데 의의가 있다”고 말했다.
전남광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
