프린스턴대 주도 MARQUIS, NSF 2790만 달러로 초전도 큐비트 제조 혁신 착수

25년간 제자리인 소재 기술

초전도 양자 컴퓨터의 핵심 회로 소자인 조셉슨 접합은 수 원자 두께의 산화 금속층을 두 금속층 사이에 끼운 박막 구조로, 쌍을 이루는 전자의 터널링을 통해 양자 정보를 처리한다. 문제는 이 구조에 쓰이는 소재가 알루미늄과 산화알루미늄으로, 최초의 초전도 큐비트가 등장한 약 25년 전부터 지금까지 본질적으로 달라지지 않았다는 점이다. 소규모 실험 시스템에서는 이 방식으로 충분했지만, 실용적인 양자 알고리즘을 구동할 규모로 나아가려면 가장 기본적인 구성 요소부터 재고해야 한다는 것이 연구소 설립의 출발점이다.

MARQUIS 구성과 참여 기관

MARQUIS(Manufacturable and Resilient superconducting Quantum Information Systems)는 프린스턴대, 코넬대, MIT, UC 산타바바라, 스탠퍼드대, 다트머스대, NY Creates, 미시간 주립대, 아이오와대 등 9개 기관의 약 24개 연구실을 결집한 컨소시엄이다. 소재과학·양자 소자·반도체 공정 세 분야의 전문성을 교차시켜 조셉슨 접합의 새로운 제조 경로를 탐색한다. 연구소장은 프린스턴대 전기컴퓨터공학과의 Nathalie de Leon 교수가, 부소장은 코넬대 물리학자 Valla Fatemi가 맡는다. 자문위원회에는 Google Quantum AI, NVIDIA, Applied Materials, Oxford Instruments, Bluefors, KU Leuven/Imec, MIT 링컨 연구소가 포함됐다.

선행 연구 성과와 핵심 인물

de Leon 연구팀은 이미 초전도 큐비트 소재를 근본적으로 재구성해 기존 선도 산업 칩 대비 충실도를 15배 끌어올린 성과를 발표한 바 있으며, 이는 10여 년 만의 최대 진전으로 평가됐다. 조셉슨 접합의 작동 원리를 처음 실증한 노벨상 수상자 Michel Devoret UC 산타바바라 교수(Google Quantum AI 수석 과학자)도 MARQUIS 선임 연구원으로 합류한다. 반도체 플라즈마 공정 전문가인 프린스턴대 David Graves 교수는 공동 수석 연구원을 맡아 반도체 산업 지식과 양자 연구 사이의 간극을 메우는 역할을 담당한다.

중간 규모 테스트베드와 표준화

MARQUIS는 새로운 소재 설계와 병행해 다양한 설계안의 성능을 체계적으로 비교·검증하는 방법론을 개발하고, 이를 중간 규모 양자 프로세서에서 실증하는 테스트베드를 구축한다. 여기서 '중간 규모'란 학술 연구실의 소규모 시스템과 미래의 대형 상용 프로세서 사이를 잇는 단계를 의미한다. 표준화된 테스트베드는 분산된 연구 그룹 간 노력을 조율하고, 반도체 공정처럼 고도로 전문화된 외부 분야의 전문가가 양자 연구에 실질적으로 기여할 수 있는 진입 창구로 기능할 전망이다.

NSF 양자 도약 도전 연구소 프로그램과 맥락

MARQUIS는 NSF가 이날 동시에 발표한 8개 양자 도약 도전 연구소(QLCI) 중 하나로, 이번 라운드 전체 지원 규모는 2억 9000만 달러에 달한다. NSF는 40년 이상 축적한 기초 연구 토대 위에서 이 프로그램을 통해 양자 컴퓨팅·센싱·통신 전반의 도약을 가속화한다는 방침이다. MARQUIS는 기술 연구와 함께 양자과학·공학 분야 교육 및 인력 양성 프로그램도 운영한다. 다만 조셉슨 접합 소재 혁신은 수십 년간 수많은 시도가 실패해 온 난제인 만큼, 5년간의 연구가 실용적 성과로 이어지기까지의 경로는 여전히 불확실하다.