세계 최초 초전도 양자 열기관, 대규모 양자컴퓨터 배선 문제 해결 실마리

고전 열역학을 양자 회로 안에 구현하다

열기관은 산업혁명의 원동력이었다. 제임스 와트의 증기기관이 대표적이듯, 열에너지를 유용한 일로 전환하는 장치는 자동차·선박·발전소에 이르기까지 현대 문명의 근간을 이룬다. 알토대학교 Mikko Möttönen 아카데미 교수 연구팀은 이 고전적 원리를 양자 스케일에서 실현하는 데 성공했다.

연구팀이 구현한 핵심 장치는 트랜스몬 큐비트 하나, 공진기, 그리고 양자회로 냉장고로 구성된다. 이 장치는 자동차 엔진에도 사용되는 열역학 원리인 오토(Otto) 사이클을 초전도 회로 안에서 작동시킨다. 실험은 절대영도에 근접한 극저온 환경의 냉각기(cryostat) 안에서 수행됐으며, 사이클이 돌아가는 동안 큐비트 상태를 실시간으로 관측해 실제로 양의 일이 출력됨을 확인했다.

양자회로 냉장고: 열원과 냉원을 하나로

기존 열기관이 별도의 고온부와 저온부를 요구하는 것과 달리, 이번 장치는 단일 양자회로 냉장고가 큐비트에 대해 가열과 냉각을 모두 담당한다. 제어 펄스의 타이밍을 정밀하게 조율함으로써 온-디맨드 방식으로 열 흐름의 방향과 크기를 조절할 수 있다. 연구팀은 이 구조가 장치의 단순성과 다용도성을 동시에 확보해 준다고 밝혔다. 별도의 열원·냉원 구조가 필요 없다는 점은 실제 칩 집적 측면에서도 유리하다.

자율형 열기관과 마이크로파 케이블 문제

이번 성과의 장기적 함의는 자율형(autonomous) 양자 열기관 개발로 이어진다. 현재 초전도 양자컴퓨터는 밀리켈빈 온도의 큐비트를 상온 제어 장치와 연결하기 위해 막대한 수의 마이크로파 케이블을 사용한다. 핀란드 양자기술 전략이 2035년까지 논리 큐비트 1,000개 규모의 양자컴퓨터 구현을 목표로 하는 상황에서, 이를 뒷받침하는 수십만 개의 물리 큐비트를 운용하려면 수백만 개의 케이블이 필요하며 개당 비용은 수천 유로에 달한다. 케이블은 비용뿐 아니라 시스템에 노이즈를 유입하는 경로이기도 하다.

연구팀이 목표로 하는 자율형 온칩(on-chip) 열기관은 외부 마이크로파 펄스 없이 큐비트 판독을 수행할 수 있어, 이 배선 문제를 구조적으로 완화할 가능성을 제시한다.

의미와 한계

이번 연구는 순환형 양자 열기관의 첫 번째 초전도 회로 구현이라는 점에서 개념 실증(proof of concept)으로서의 가치가 크다. 다만 현 단계에서 실제 양자컴퓨터의 큐비트 판독에 바로 적용될 수 있는 수준은 아니며, 효율과 출력 스케일링에 대한 추가 연구가 필요하다. 양자 열역학이 고전 열역학 이해에도 역으로 기여할 수 있다는 이론적 기대 역시 아직 검증 초기 단계다.