냉각기 간 광학 링크와 질화물 큐비트로 초전도 양자컴퓨팅 규모화 도전

규모화의 벽: 냉각기와 배선의 한계

초전도 큐비트는 절대 영도에 근접한 극저온, 즉 희석 냉각기 안에서만 동작한다. 실용적 양자컴퓨터에 요구되는 수백만 개 규모의 큐비트를 확보하려면, 냉각기 1대당 1,000개를 가정해도 1,000대의 냉각기를 연결해야 한다는 계산이 나온다. 이 냉각기들을 단일 공간에 집약하거나 실온 동축 케이블로 연결하는 방식은 모두 현실적이지 않다. Tang 팀의 두 연구는 이 문제를 서로 다른 각도에서 공략한다.

해법 1: 마이크로파-광학 광자 변환 링크

첫 번째 연구는 1km 떨어진 두 희석 냉각기를 광섬유로 연결하는 방법을 제시한다. 초전도 큐비트의 양자 정보는 마이크로파 광자 형태를 띠는데, 이를 실온 환경의 광섬유로 전송하기 위해서는 광학 광자로 변환해야 한다. 두 종류의 광자 사이에는 에너지 차이가 크다는 기술적 난관이 있다. 연구팀은 광학 전기장과 마이크로파 전기장을 하나의 소자 구조 안에 동시에 가두는 전기광학 변환기를 개발해 이 문제를 극복했다.

광학 광자는 주변 온도에 독립적이어서, 변환 후에는 일반 광섬유를 통한 원거리 전송이 가능하다. 수신 측에서는 다시 마이크로파 광자로 역변환해 큐비트 시스템에 입력한다. 이 방식은 초저온 케이블 없이도 분산 배치된 냉각기들을 네트워크로 묶는 경로를 열어 준다.

해법 2: 원자층 증착 기반 질화물 큐비트

두 번째 연구는 반도체 산업 표준 공정인 ALD를 이용해 새로운 큐비트 소재를 제작하는 방법을 다룬다. ALD는 재료를 원자 한 층씩 정밀하게 쌓는 방식으로, 기존에는 주로 초미세 반도체 칩 제조에 쓰였다. Tang 팀은 이 공정으로 두 층의 질화 니오븀(NbN) 사이에 초박막 질화 알루미늄(AlN)을 삽입한 삼층 구조 큐비트를 구현했다.

핵심 이점은 임계 온도다. 기존 알루미늄 기반 초전도 큐비트의 임계 온도는 약 1K인 반면, 이 질화물 기반 소재는 약 13K로 훨씬 높다. 동작 온도가 올라가면 냉각 장비의 규모와 비용이 함께 줄어들어 확장성이 개선된다. 또한 이 공정은 기존 반도체 파운드리 장비와 호환되므로, 대면적 웨이퍼 단위의 양산 가능성도 열린다.

기술적 의미와 남은 과제

두 연구는 모두 초전도 양자컴퓨팅의 규모화 장벽을 낮추려는 시도이지만, 방향은 다르다. 광학 링크는 분산 양자 컴퓨팅 아키텍처의 실현 가능성을 구체화했고, 질화물 큐비트는 소재·제조 공정 측면에서 상업화 경로를 제시했다. 다만 광학 변환 링크의 변환 효율과 충실도, 질화물 큐비트의 결어긋남(decoherence) 특성 등 성능 지표는 아직 추가 검증이 필요한 단계다. 연구팀은 소재 품질 개선과 고온 동작 탐구를 후속 과제로 명시하고 있다.