초전도 양자컴퓨터 (국내연구동향)

[사무국]

한국표준과학연구원 책임연구원 · 이용호

  초전도 조셉슨 접합을 이용한 큐비트 소자의 거시적 양자 현상을 이용한 초전도 양자컴퓨팅은 확장성, 결맞음 시간, 시스템 조작의 용이성, 계산 신뢰성 등에서 강점을 갖는 양자컴퓨팅 플랫폼으로서, 세계적으로 가장 활발히 연구 중인 방식이라고 할 수 있다. IBM에서는 2022년에 433큐비트의 양자 프로세서 개발을 발표되었고, 큐비트 수가 매년 증가하고 있으며 각국의 개발 경쟁이 치열하게 진행되고 있다.

1. 초전도 양자컴퓨터 개념

○ 초전도 큐비트의 동작 원리: 양자컴퓨팅을 위해서 큐비트의 에너지는 2준위 구조를 가져야 한다. 조셉슨 접합은 인덕턴스가 위상에 대해 비선형적이므로, 조셉슨 접합을 사용함으로써 에너지 레벨은 바닥 상태와 첫 번째 들뜬 상태의 에너지 차이가 첫 번째와 두 번째 에너지 차이보다 커서 2준위 시스템으로 다룰 수 있다.

 바닥 상태와 첫 번째 들뜬 상태의 에너지 차이는 주파수로 5 GHz 내외가 되는데, 큐비트에 이 에너지 레벨에 해당하는 마이크로파(RF)의 강도를 증가시킬수록 큐비트는 바닥 상태에서 첫 번째 들뜬 상태로 전이할 확률이 증가한다. 이때 바닥 상태는 0이 되고, 첫 번째 들뜬 상태는 1이 되며, 첫 번째 들뜬 상태로 전이하는 데 필요한 RF 강도의 절반쯤 가하면 1로 전이할 확률은 50%가 된다. 즉, 0과 1의 확률이 같아져서 0이 될 수도 있고 1이 될 수도 있는, 0과 1의 중첩 상태가 된다.

 한편, 인덕터-커패시터 회로를 이용하여 이웃한 초전도 큐비트 사이에 전자기적인 간섭을 유도할 수 있다. 즉, 제어 큐비트의 상태(0 혹은 1)에 따라 제어 큐비트를 통해 인접한 타겟 큐비트를 조작한 결과가 달라진다. 즉, 제어 큐비트가 0의 상태에서는 타겟 큐비트는 바뀌지 않으나 제어 큐비트가 1의 상태에서는 타겟 큐비트의 상태가 바뀐다. 이러한 현상을 얽힘이라고 한다.

 따라서 중첩과 얽힘을 이용하면 큐비트 개수에 비해 조작할 수 있는 경우의 수가 지수적으로 증가하여 고속 연산이 가능해진다.

○ 초전도 큐비트의 구성: 초전도 큐비트의 종류는 몇 가지 있으나, 트랜스몬(Transmon) 구조가 안정성과 확장성 측면에서 가장 유리하므로 많이 채택되고 있다. 트랜스몬은 0.01 μm2 내외의 미소 면적을 갖는 조셉슨 접합에 약 0.1 mm2 의 큰 면적을 갖는 shunt 정전용량으로 병렬 연결한 구조로서 큐비트가 안정적 동작을 할 수 있도록 한 구조이다.

○ 초전도 큐비트의 특징 및 장·단점: 신뢰성 있는 양자컴퓨팅을 위해 큐비트가 가져야 할 요구조건 중 대표적인 것은 게이트(연산) 속도와 게이트 충실도(fidelity)이다. 초전도 큐비트는 게이트 속도가 매우(가장) 빠르고 충실도도 비교적 양호하다. 또한 큐비트 수의 확장성이 우수하며 주변 기술(고주파 및 극저온)의 완성도가 높아서 하드웨어 시스템의 신뢰성과 편이성이 좋다고 할 수 있다. 향후 해결해야 할 사항으로서 고주파 장치의 부피를 줄이는 일, 극저온 냉동기의 구조를 단순화하는 일 등 경제성을 높이는 일이 필요하다.

2. 초전도 양자컴퓨터의 국내 현황

○ 50큐비트 양자컴퓨터 시스템 개발: 과학기술정보통신부 지원으로 2022년 6월부터 50큐비트급 양자컴퓨팅 시스템 개발연구가 진행되고 있는데 한국표준과학연구원이 주관하고, 성균관대학교, 울산과학기술원, 한국과학기술정보연구원 등이 참여하고 있다. 이 사업을 통해 국내 연구자가 50큐비트급 양자컴퓨팅을 접하고 활용연구를 할 수 있도록 하는 것이 사업의 목적이다. 또한 시스템의 규모와 성능을 대폭 향상시키기 위한 사업을 추진하기 위한 기획도 현재 진행 중이다.

필자소개
KAIST Ph.D.(물리학) 
한국표준과학연구원 책임연구원(현)
초전도양자컴퓨팅시스템연구단 단장(현)
한국초전도학회 회장(전)