탄탈럼·실리콘 기판으로 초전도 큐비트 결맞음 시간 1.68ms 달성

왜 결맞음 시간이 중요한가

초전도 양자컴퓨터의 성능은 큐비트 수와 함께, 각 큐비트가 오류 없이 수행할 수 있는 연산 횟수에 의해 결정된다. 이 연산 횟수의 상한선은 곧 결맞음 시간과 직결된다. 큐비트가 양자 상태를 유지하는 시간이 길수록 오류율이 낮아지고, 오류 정정에 투입해야 하는 보조 큐비트 수도 줄어든다. 현재 산업계의 주력 아키텍처인 2차원 초전도 트랜스몬 큐비트는 결맞음 시간이 통상 수백 마이크로초 수준으로, 대규모 오류 허용 연산을 구현하기에는 여전히 부족하다는 평가를 받아왔다.

소재 선택의 전환: 알루미늄·나이오븀에서 탄탈럼으로

Google과 IBM이 채택한 트랜스몬 큐비트는 통상 알루미늄과 나이오븀으로 제작된다. 이번 연구에서 핵심 역할을 한 화학자 Robert Cava는 탄탈럼이 이들 금속보다 미세 결함이 적고 산화 거동이 달라 계면 손실을 줄이는 데 유리하다는 통찰을 제시했다. 양자 소재 전문가 Nathalie de Leon과 초전도 회로 설계 전문가 Andrew Houck이 이 가설을 실제 하드웨어로 검증하는 역할을 맡았다. 세 사람 모두 프린스턴대 교수이자 C2QA 연구자다. 연구팀은 2021년부터 이 협력을 이어왔다.

사파이어에서 실리콘으로: 기판 전환의 도전

탄탈럼 회로만으로는 기판 자체에서 발생하는 에너지 손실을 완전히 차단할 수 없었다. 사파이어는 결함과 불순물이 매우 적은 우수한 기판이지만, 잔존하는 미세 결함만으로도 최첨단 소자의 성능을 제한하기에 충분했다. 연구팀은 실리콘으로 기판을 교체함으로써 이 문제를 해결했다. 실리콘은 사파이어와 표면 화학적 특성이 달라 증착 공정, 오염원 제거, 계면 손실 종 억제 등 전 공정을 새로 최적화해야 했다. 포스닥 연구원 Faranak Bahrami와 대학원생 Matthew P. Bland가 이 실험 과정을 주도했다.

성과와 의미

탄탈럼의 산화물 청결도와 실리콘 기판의 낮은 손실 특성을 결합한 결과, 연구팀은 1.68ms의 결맞음 시간을 달성했다. 이는 기존 최고 성능 대비 약 10배 향상된 수치다. 특히 이번 설계는 기존 양자 프로세서 아키텍처와 호환되기 때문에, C2QA 협력 기업들이 현행 공정을 대폭 수정하지 않고도 적용할 수 있다는 점이 실용적 의의로 꼽힌다.

한계와 남은 과제

결맞음 시간의 극적인 개선에도 불구하고, 오류 허용 양자컴퓨팅 구현까지는 아키텍처 수준의 추가 발전이 필요하다. 실시간 오류 자기 정정 시스템, 다수 큐비트 간 연결 충실도 확보, 대규모 집적 시의 제조 재현성 등은 소재 최적화만으로 해결되지 않는 과제로 남아 있다. 이번 연구는 소재 기반 접근이 양자 하드웨어 성능의 근본적 한계를 낮출 수 있음을 실증한 개념 검증 단계로 해석하는 것이 적절하다.