[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 광주과학기술원(GIST)은 반도체공학과 윤훈한 교수 연구팀이 고려대학교, 미국 캘리포니아대학교 버클리(UC버클리), 로렌스버클리국립연구소(LBNL) 연구진과 함께 초전도 양자컴퓨터의 핵심 부품인 조셉슨 접합 소자의 소재·제조 기술을 종합 분석하고 실용화를 위한 기술 발전 방향을 제시했다고 3일 밝혔다. 연구에는 고려대 물리학과 김요셉 교수 연구진도 참여했다.

조셉슨 접합은 전기저항 없이 전류가 흐르는 초전도체 두 개 사이에 매우 얇은 절연층이나 반도체 등을 끼워 넣은 구조다. 두 초전도체 사이에서 양자역학적 원리에 따라 초전류가 발생하는 조셉슨 효과를 이용해 초전도 회로 내 양자정보 상태를 구별하고 제어하는 데 쓰인다.

연구진은 이 접합에서 생기는 미세한 결함과 제조 편차가 양자정보 손실과 계산 오류로 이어지는 과정을 설명하고, 소재와 계면의 품질이 양자컴퓨터 성능 및 대규모 제조 가능성에 미치는 영향을 평가하는 지침을 제시했다.

연구팀은 초전도 양자컴퓨터 실용화를 위해 조셉슨 접합 기술이 해결해야 할 과제로 5가지를 꼽았다. 소자 간 특성 편차를 줄이고 높은 수율로 일관되게 제작하는 제조 균일성·재현성, 양자정보를 오래 유지하기 위한 에너지 손실 저감, 작동 중 큐비트 주파수와 큐비트 간 상호작용을 조절하는 기능, 더 많은 큐비트를 집적하기 위한 소형화, 소재·접합·회로 구조로 양자정보를 잡음에 덜 민감하게 만드는 보호 설계다.

연구진은 이 5가지 기준으로 현재 널리 쓰이는 알루미늄 기반 조셉슨 접합의 성과와 한계를 분석하고, 차세대 소재와 접합 구조의 가능성을 살폈다.

원자 배열이 규칙적인 결정성 소재와 깨끗한 계면은 에너지 손실 결함을 줄이는 데 도움이 될 수 있고, 초전도체와 반도체를 결합한 접합이나 반도체 기반 2차원 전자계는 전압으로 큐비트 주파수나 연결 강도를 조절하는 데 활용될 수 있다. 원자층 단위로 쌓는 2차원 반데르발스 물질은 두께와 계면을 정밀 제어해 회로를 소형화하는 방안으로, d-파 초전도체나 강자성 소재는 잡음에 덜 민감한 접합·회로 설계에 활용할 수 있는 것으로 분석됐다.

연구진은 새로운 소재와 접합 구조를 실제 양자컴퓨터에 적용하려면 소재 자체 특성뿐 아니라 극저온에서 측정한 큐비트 성능과 제조 재현성까지 함께 검증해야 한다고 밝혔다. 양자정보 유지 시간과 연산 정확도, 작동 조절 성능과 잡음 민감도, 시간에 따른 성능 안정성, 소자 간 특성 편차와 제조 수율을 연결해 평가해야 한다는 것이다.

이번 연구는 소재 개발부터 소자 제작, 양자 회로 설계, 대규모 제조에 이르는 연구 단계를 하나의 관점으로 연결했으며, 반도체 산업에서 축적된 박막 형성, 미세 패턴 가공, 계면 제어, 공정 관리 기술을 초전도 양자소자 제조에 접목하는 방향을 제시했다.

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.

이번 연구는 윤훈한 GIST 교수, 롱비응우옌 아마존웹서비스(AWS) 양자컴퓨팅센터 박사, 김요셉 고려대 교수가 공동 교신저자로, 김현성 UC버클리 물리학과 박사과정생, 장경현 GIST 석박사통합과정생, 진승원 싱가포르국립대 양자기술센터 석사과정생이 공동 제1저자로 참여했다. 연구는 과학기술정보통신부(과기부)·한국연구재단 개인기초연구사업(우수신진연구) 및 국가간협력기반조성사업(한-핀란드 공동연구사업), GIST Global Value-Up 10X 사업 및 Graduate International Research Experience Fellowship 사업, 미국 에너지부 퀀텀시스템액셀러레이터 사업, 고려대학교 신임교원 연구정착지원사업 등의 지원을 받아 수행됐다.

연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드사이언스(Advanced Science)'에 지난달 28일(10월 28일) 온라인 게재됐다.

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