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Nikkei X-TECH_2022.8.26

첨단기술 뉴스플러스
실리콘 양자비트
범용 양자컴퓨터 실현을 위한 기대주

실리콘 양자비트는 양자컴퓨터 계산에 쓰이는 정보의 단위 ‘양자비트’를 반도체 기술로 만든 것이다. 신재료 개발이나 신약 개발 연구 등에서의 응용을 기대할 수 있는 범용적인 양자컴퓨터를 실현하기 위한 유력한 기술 중 하나로 주목 받고 있다. 초전도 회로나 이온(전하를 띤 원자)을 사용하는 다른 방식에 비해 소형화 및 집적화가 쉬우며, 복잡하고 어려운 연산에 응용할 경우 유력한 주력 방식이 될 것으로 보인다.

범용성이 높고 복잡한 연산에 사용할 수 있는 게이트형 양자컴퓨터에는 연구개발(R&D)에서 앞서있는 ‘초전도 방식’이나 ‘이온 트랩 방식’ 등 다양한 방식들이 있으며, 각각 실용화를 목표로 개발이 추진되고 있다.

하지만 아직 어느 방식도 실용적인 연산에 사용할 수 있는 단계는 아니며, 핵심이라고 말할 수 있는 기술도 없는 실정이다. 그 중 실리콘 양자비트를 사용하는 방식은 기존 반도체 제조기술을 응용해 제작할 수 있어 일본이 강점을 발휘할 수 있는 분야로 기대되고 있다.

일본에서는 산업기술종합연구소와 이화학연구소, 히타치제작소가, 해외에서는 미국의 인텔, 벨기에의 imec 등 반도체 관련 기업 및 조직이 개발을 추진하고 있다. 산업기술종합연구소와 이화학연구소는 일찍부터 실리콘 양자비트 개발을 추진, 기본 구조의 시작(試作), 시뮬레이션 기술개발에서 높은 경쟁력을 가지고 있다.

실리콘 양자비트는 실리콘 상에 10나노미터(nm) 정도의 작은 영역(양자도트)을 형성하고 그곳에 가둔 전자를 제어해 연산에 이용한다. 자기장으로 전자 스핀에 2준위계를 만들고, 마이크로파를 사용해 전자 상태를 조작(중첩)해 연산하는 구조이다.

양자비트는 노이즈와 오차에 의한 오류(양자 오류)의 영향을 받기 쉬워 노이즈와 오류를 줄이는 것이 중요한 연구 주제로 떠오르고 있다. 여기에는 nm 레벨의 미세한 소자를 균일하게 형성하는 기술과 노이즈를 억제하는 시뮬레이션·설계 기술이 요구된다.

산업기술종합연구소 디바이스기술연구부문의 모리(森) 상급 주임연구원은 2021년, 반도체 제조기술을 응용해 FinFET 구조를 채택한 실리콘 양자비트를 일본 최초로 제작했다. 이화학연구소 양자기능시스템연구그룹의 다루차(樽茶) 디렉터 연구팀은 올 8월, 반도체 미세가공 기술을 사용해 실리콘 위에 3개의 전자를 가두고 이를 제어해 양자 오류를 정정하는 기술을 개발했다.

이러한 기술들이 실현된다면 다수의 양자비트를 제어해 복잡한 연산에 이용할 수 있게 된다. 다루차 디렉터는 앞으로 3~5년 안에 100양자비트까지 늘릴 계획이라고 한다. 대규모 양자비트를 가진 양자컴퓨터는 일반적인 컴퓨터가 풀기 어려운 복잡한 연산을 고속으로 처리할 수 있다.

구체적으로는 소재 분야나 신약개발 분야에서의 화학합성, 농업비료 합성, 에너지의 효율적 이용, 기상현상 및 금융 리스크 예측, 보안기술의 고도화 등, 다양한 분야에서의 응용이 상정되고 있다. 한편, 양자비트를 늘리고 그것을 정확하게 제어하는 기술개발은 쉽지 않아 실현은 2050년경이 될 것으로 전망되고 있다.

양자컴퓨터가 오류 내성을 가져 다양한 용도로 사용할 수 있게 되려면 통상적으로 100만 양자비트 이상이 필요하다. IBM이 2021년, 초전도 방식으로 127 양자비트의 프로세서를 개발했지만, 실용화에는 시간이 걸릴 것으로 보인다. 초전도 방식은 노이즈를 억제하기 위해 수 밀리켈빈(mK)이라는 극저온에서 동작시킬 필요가 있기 때문에 다수의 양자비트를 동작시키기 위해서는 대형 냉각시설이 필요하다는 과제가 있다.

반면, 최첨단 반도체의 경우 1개의 프로세서 안에 수백억 개의 트랜지스터가 집적된다. 실리콘 양자비트는 이러한 반도체 제조기술을 활용하기 때문에 대규모로 집적된 양자비트를 제작할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 동작 온도도 이론적으로는 수 K 정도로, 초전도 방식에 비해 높아 냉각기 등의 설비를 소형화할 수 있을 전망이다.

-- 양자컴퓨터 연구에 본격적으로 나서고 있는 해외 기업들 --
양자컴퓨터 개발에서는 자금력이 우수한 구미 기업들이 앞서고 있으며, 최근에는 중국의 성장도 현저하다. 실제로 이들 나라에서는 정부가 양자컴퓨터 R&D에 1,000억엔 이상의 예산을 투입하고 있으며, 민간 기업들의 개발도 폭넓게 추진되고 있다.

실리콘 양자비트의 R&D에서는 인텔이 반도체의 FinFET 프로세스를 응용한 양자도트 어레이를 시작(試作), 네덜란드의 델프트공과대학과의 개발 얼라이언스도 체결했다. 미국의 양자 관련 스타트업 기업들의 경우, 1개 사가 500억~600억엔 조달에 성공하는 등 막강한 자금력을 자랑하고 있다.

한편, 일본에서는 양자컴퓨터에 대한 정부 프로젝트 예산이 수백억 엔 규모로, 구미에 비해 자본력에서 뒤떨어진다. 양자기술은 차세대 컴퓨터에 필수 요소로, 미래의 산업 경쟁력과 경제 안보를 좌우한다고 해도 과언이 아니다. 해외에 뒤처지지 않기 위해서는 R&D 지원이 급선무이다.

다행히 일본은 반도체 재료 및 제조기술에 있어서 산업계가 높은 경쟁력을 가지고 있기 때문에 실리콘 양자비트 개발은 기술 격차를 따라잡을 수 있는 좋은 기회가 될 수 있을 것으로 보인다.

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