초전도 큐비트 40년: 노벨상 실험에서 양자컴퓨팅 기반 기술까지

1985년 버클리의 돌파구

양자역학은 전자·광자·양성자 같은 아원자 입자의 거동을 설명하는 이론이다. 그런데 양자 효과는 지나치게 섬세해 주변 환경의 교란만으로도 쉽게 사라지며, 특정 물질에서는 극저온 조건이 아니면 나타나지 않는다. 이 때문에 1985년 이전까지 양자 현상을 맨눈으로 확인할 수 있는 수준의 시스템에서 관측한다는 것은 사실상 불가능하다고 여겨졌다.

Clarke, Devoret, Martinis 팀은 UC 버클리 실험실에서 초전도 회로를 활용해 이 통념을 깼다. 이들이 구성한 시스템은 인간의 손으로 직접 다룰 수 있을 만큼 충분히 큰 규모였음에도 불구하고 뚜렷한 양자 거동을 보였다. 당시 학술지 논문들은 이를 획기적 결과로 평가했다.

핵심 물리 현상: 양자화와 양자 터널링

이 연구가 주목한 양자 현상은 두 가지다. 첫째는 **양자화(quantization)**로, 양자 입자가 가질 수 있는 에너지나 운동량이 연속적이지 않고 특정 덩어리값만 취한다는 원리다. 고전 물리에서 야구공의 에너지는 소수점으로 표현되는 연속값이지만, 전자의 에너지는 정수에 해당하는 불연속 준위만 가질 수 있다.

둘째는 **양자 터널링(quantum tunneling)**이다. 고전 역학에서는 충분한 에너지가 없으면 넘을 수 없는 에너지 장벽이 존재한다. 그러나 양자 입자는 그 장벽을 확률적으로 통과할 수 있다. 이 현상은 자연에서도 관찰된다. 불안정한 원자핵의 붕괴, 그리고 태양 내부에서 일어나는 핵융합이 대표적인 사례다. 태양 내부의 온도와 압력만으로는 고전 물리 기준에서 핵융합이 불가능하지만, 양자 터널링으로 인해 실제로 일어난다.

조지프슨 접합에서 큐비트까지

초전도체는 냉각 시 저항 없이 전류를 흘리는 물질이다. 일반 물질에서 전자들이 무질서하게 흐르는 것과 달리, 충분히 낮은 온도에서는 전자 두 개가 쌍을 이룬 **쿠퍼 쌍(Cooper pair)**이 형성돼 초전도 상태를 만들어낸다.

1962년 물리학자 Brian Josephson은 두 초전도체 사이에 얇은 절연막을 끼운 구조, 즉 조지프슨 접합에서 쿠퍼 쌍이 장벽을 터널링할 수 있다고 이론적으로 예측했다. 이 접합은 불과 1년 후 최초로 구현됐다. 이후 연구자들은 조지프슨 접합을 이용해 거시적 규모의 양자 터널링을 설계할 수 있다는 이론을 발전시켰으나, 1980년대 중반까지 실험들은 외부 교란의 영향을 완전히 배제하지 못했다.

Clarke 팀의 정밀 실험 설계

Clarke-Martinis-Devoret 팀은 DOE 기초에너지연구실의 지원을 받아 극도로 정밀한 실험을 설계했다. 이들은 조지프슨 접합을 이용해 작은 초전도 회로를 구성하고, 여기에 마이크로파를 주입해 전류를 생성·제어했다. 실험은 -273.1°C(-459.6°F)의 극저온에서 수행됐으며, 외부 간섭을 최소화하기 위한 특수 필터도 적용됐다.

실험 설정상 회로에 흐르는 전류는 입자가 에너지 장벽을 넘기에 충분하지 않았다. 고전 역학에 따르면 전압이 발생하지 않아야 했다. 그러나 실제로는 전압이 0에서 유의미한 값으로 변했다. 이는 전하를 띤 수조 개의 입자가 집단적으로 에너지 장벽을 터널링했음을 의미한다. 팀은 터널링 외 다른 원인의 가능성을 거의 완전히 배제했고, 이를 통해 인공 원자—훗날 큐비트의 원형—를 구현했다고 선언했다.

현재의 초전도 큐비트 기술

이 기초 연구의 유산은 현재 진행 중인 기술 개발로 이어지고 있다. 프린스턴대 연구팀은 큐비트 결어긋남 시간(코히런스 시간)이 1밀리초를 넘는 초전도 양자컴퓨팅 칩을 개발했다고 발표했다. 이는 현재 산업 표준 프로세서 대비 약 15배에 달하는 수치다. 큐비트가 더 오래 양자 상태를 유지할수록 오류 없이 수행 가능한 연산 횟수가 늘어나므로, 코히런스 시간 연장은 실용적 양자컴퓨팅 구현의 핵심 과제다.