양자컴퓨터를 구현하는 방식 중 하나인 초전도 양자컴퓨터는 극저온에서 작동한다. 극저온 환경 구축은 초전도 양자컴퓨터 상용화의 가장 큰 걸림돌이다. 국내 연구진이 극저온 냉각 문제를 해결할 차세대 소재와 공정 기술을 개발했다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 위상절연체 기반 차세대 양자소자 구현을 위한 핵심 기술을 개발했다고 28일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 '어플라이드 서피스', '사이언스 어드밴시스', '크리스털 그로스 앤드 디자인' 등에 잇따라 게재됐다.현재 초전도 양자컴퓨터는 절대영도인 섭씨 영하 273.15도(℃)에 가까운 수준의 극저온에서만 작동한다. 절대영도를 만들려면 수십억 원짜리 특수 냉각 장치가 필요하다. 특수 냉각 장치는 컨테이너 크기 정도여서 산업 현장에 들여놓기 어렵다.

연구팀은 초전도 양자컴퓨터의 작동 온도를 영하 272~269도로 올리는 데 집중했다. 수치상으로는 매우 낮은 온도지만, 현재 초전도 양자컴퓨터가 요구하는 영하 273.14도보다 몇 도 높은 것만으로도 냉각 난이도가 크게 달라진다. 우주 공간의 평균 온도와 비슷한 수준이다.

영하 272~269도의 온도 정도면 수십억 원짜리 특수 장치 대신 상대적으로 저렴한 범용 냉동기로도 충분해 냉각 비용을 10분의 1로 줄일 수 있다. 장비 크기도 컨테이너급 크기에서 냉장고 크기로 작아질 수 있다.

이번 연구의 핵심은 '위상절연체'라는 특이한 양자 소재다. 위상절연체는 물질 안쪽으로는 전기가 흐르지 않지만 겉면에서만 전기가 통하는 독특한 성질을 갖고 있다.

연구팀은 대표적인 위상절연체인 비스무스 셀레나이드를 공장에서 쓸 수 있는 지름 약 10cm 원판 위에 고르게 키우는 데 성공했다. 기존에는 손톱만 한 크기에서만 만들 수 있던 것을 크게 넓힌 것이다.

연구팀은 초전도체와 위상절연체를 붙일 때 생기는 문제도 풀었다. 두 물질을 맞붙이면 초전도체 속 구리 원자가 위상절연체 쪽으로 스며들어 성능이 나빠진다.

연구팀은 두 물질 사이에 머리카락 굵기의 수만분의 1밖에 안 되는 얇은 셀레늄 막을 끼워 구리가 넘어가지 못하게 막았다. 덕분에 기존보다 높은 온도에서도 초전도 성질이 유지되는 조건을 갖췄다.

연구팀은 소재 성장부터 두 물질의 접합면 분석, 공정 기술까지 양자소자 구현에 필요한 전 과정의 원천기술을 확보했다. 앞으로 영하 272~269도에서 작동하는 초전도 큐빗(양자컴퓨터의 정보 처리 기본 단위) 소자를 실제로 만드는 것이 목표다.

이우정 ETRI 위상절연체창의연구실장은 "소재 성장부터 접합면 제어까지 전 과정 기술을 확보한 데 의미가 있다"며 "확보한 소재 기술과 초전도 공진기 기술을 결합해 경제적이고 실용적인 양자컴퓨팅 플랫폼 구현을 추진할 계획"이라고 말했다.