C2QA, 탄탈럼 초전도 트랜스몬 큐비트 수명 1밀리초 달성…28개 기관 협력 확장

C2QA의 구성과 목표

C2QA는 2020년 출범한 미국 국가 양자정보과학 연구센터로, 국립연구소·대학·산업계 28개 기관이 참여한다. 미국 에너지부 과학국의 지원을 받으며, 초전도 소재 연구와 모듈식 시스템 아키텍처 개발을 통해 확장 가능한 내결함성 양자 시스템 구현을 목표로 한다.

현 센터장 찰스 블랙은 하버드대에서 박사학위 취득 후 IBM 토머스 J. 왓슨 연구소(1996~2006)에서 폴리머 자기조립(polymer self-assembly) 기법을 활용한 반도체 소자 제조 연구를 수행했다. 이후 브룩헤이븐의 기능성나노소재센터(CFN)에 합류해 2006년부터 그룹 리더로 활동하고, 2016년부터 2025년까지 CFN 센터장을 맡았다. 소재과학과 반도체 제조 공정 양측의 전문성을 겸비한 이력이 C2QA 연구 방향 설계에 직접 반영되고 있다.

탄탈럼으로 큐비트 수명 한계 돌파

초전도 트랜스몬 큐비트는 예일대에서 처음 고안된 구조로, 10년 이상 알루미늄·니오븀 소재를 바탕으로 발전해왔다. 그러나 일정 시점 이후 성능 향상이 정체기에 접어들면서 소재 자체가 걸림돌인지에 대한 의문이 제기됐다.

C2QA 프린스턴대 팀은 큐비트 성능 저하의 원인으로 지목된 산화 상태(oxidation states)가 상대적으로 적은 탄탈럼에 주목했다. CFN과 브룩헤이븐의 국립싱크로트론광원 II를 이용해 탄탈럼 표면 산화가 큐비트 성능에 미치는 영향을 정밀 분석한 결과, 수명 1밀리초를 초과하는 세계 최고 성능의 초전도 트랜스몬 큐비트를 구현하는 데 성공했다. 블랙은 마이크로전자공학 초창기에 게르마늄이 실리콘으로 대체된 사례를 빌려, 알루미늄·니오븀이 양자컴퓨팅에서 동일한 역할을 할 가능성을 검토하고 있다.

양산 호환 소재로의 전환 시도

단일 큐비트 성능 향상만으로 실용적 양자컴퓨터 구현이 완성되지는 않는다. C2QA는 기존 반도체 제조 인프라와 호환 가능한 실리콘 기반 소재를 활용한 양자 소자 개발도 병행한다. IBM 재직 시절 블랙이 직접 경험한 반도체 양산 공정의 과제들이 현재 양자 하드웨어 확장의 장벽과 유사하다는 인식에서 비롯된 방향이다.

의의와 과제

탄탈럼 기반 큐비트 수명 1밀리초 달성은 소재 선택만으로도 성능 지형이 달라질 수 있음을 실증했다. 다만 단일 큐비트 성능 개선이 실제 양자 오류 정정 및 다중 큐비트 시스템 확장으로 이어지기까지는 추가적인 공학적 검증이 필요하다. 탄탈럼 공정의 양산 비용과 수율 확보, 실리콘 호환 소재와의 성능 비교도 앞으로 규명해야 할 과제로 남아 있다.