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Nikkei X-TECH_2023.1.10

초전도 양자컴퓨터, 일본의 도전
양자컴퓨터의 케이블이나 커넥터에서 빛나는 일본 기업의 장인기술

23년은 일본에게 ‘양자컴퓨터 원년’이 될 것이다. 국산 하드웨어의 실제 기기가 처음으로 가동되기 때문이다. 양자컴퓨터 개발은 미국 IBM과 구글 등이 앞서고 있지만 일본도 추격하고 있다.

양자컴퓨터의 구성 부품에는 일본 중소기업의 제품이 많이 사용되고 있다는 점도 간과할 수 없다. 본 특집은 현재 가장 활발하게 개발되고 있는 초전도 방식에 초점을 맞춰 양자시대 도래의 열쇠를 쥘 기술에 대해 살펴본다.

초전도 양자컴퓨터는 극저온에서의 작동이나 노이즈 내성 등 다양한 특수하고 뛰어난 성능을 각 부품에 요구한다. 마이크로파 신호를 부품이나 기기에 전달하는 케이블, 이들을 연결하는 커넥터도 예외가 아니다. 장인기술과 노하우를 가진 일본 기업이 소재나 가공 방법에서 시행착오를 거듭하고 있다.

<표> 초전도 양자컴퓨터의 주요 부품 및 개발업체

초전도 양자컴퓨터용 희석 냉동기에서 압도적인 존재감을 지닌 핀란드의 Bluefors. 특히 Bluefors 전용 케이블에서는 100% 가까운 시장 점유율을 보유하고 있다고 한다. 절대 영도에 가까운 10밀리켈빈 부근에서 실온까지의 마이크로파 신호 송수신에 이용하는 동축케이블 전반을 개발/제조한다.

초전도 양자컴퓨터용 케이블의 역할은 마이크로파 신호의 송수신이지만, 희석 냉동기로 극저온으로 식힌 환경에 열을 반입하지 않는 것도 요구된다. 이를 위해 케이블 생산 기업인 Coax(요코하마시)는 희석 냉동기 내부에 배선하는 케이블에는 열전도율이 낮은 백동(cupronickel)이나 스테인리스, 베릴륨동 등을 이용한다.

희석 냉동기 내의 극저온 영역에서는 특정 금속이나 화합물 등의 물질을 냉각했을 때 전기 저항이 0이 되는 초전도 현상을 이용한 초전도 케이블을 이용한다.

Coax는 초전도체로서 널리 이용되는 니오븀 티타늄을 직경 1밀리미터 이하로까지 늘려서 케이블을 만든다. “하지만 니오븀 티타늄은 약해서 펴기 어렵다. 파이프 모양으로 가공한 케이블은 우리 회사가 만들 때까지 구할 수 없었다”(개발기술부의 가사이(笠井) 씨).

-- 케이블 업계의 '상담처', Coax의 시행착오 --
케이블에 필요한 성능 중 하나가 어디를 자르든 모양이 균일하다는 것이다. Coax는 케이블 제조에, 소재를 가는 구멍이 뚫린 금형에 통과시키는 ‘인발가공’이라 부르는 방법을 이용한다. 품질을 균일하게 하려면 일정한 속도로 소재를 계속 뽑아내는 것이 중요하지만 니오븀 티타늄의 경우는 재료가 약해 중간에 끊어지는 등의 문제가 발생한다고 한다.

Coax는 인발에 이용하는 기계나 금형 외에 윤활유에서 많은 시행착오를 겪음으로써 안정적인 인발이 가능하도록 했다. 특히 윤활유는 마무리에 크게 영향을 미치는 요소로, 개량에 상당한 고생을 했다고 한다.

케이블의 또 다른 중요한 성능은 부드럽고 유연하다는 점이다. 부드럽고 유연하기 때문에 자유도가 높고 효율적인 배선이 가능하다. 반면 니오븀 티타늄을 비롯한 약하고 딱딱한 소재는 휘어짐에 대한 내성이 낮아 쉽게 부러진다. 이 점에서도 Coax는 “우리 제품은 어느 경쟁업체보다 부드럽다”라고 자신 있게 말한다.

니오븀 티타늄제 케이블의 유연성을 확보하기 위해 Coax는 “니오븀 티타늄재의 열처리 조건에 대해 몇 번이고 시행착오를 반복해, 양산성도 담보하면서 목표한 강도로 완성하는 기술을 확립했다”라고 말한다.

Coax는 특수 고성능 케이블의 개발/제조에 강하다. 지금까지 항공기 레이더나 방위산업, 휴대전화와 같은 무선통신업계용 외에, 초전도 케이블에서는 천문대나 원자/분자 입자의 질량분석용 등 다양한 용도로 특별 주문 케이블을 1개부터 납품해 온 실적을 갖고 있다. 말하자면 아는 사람만 아는 케이블 업계의 ‘상담처’이다.

가사이 씨는 “양자컴퓨터 전용 케이블 개발은 ‘특수한 금속 재료를 얼마나 일정 품질로 유지하는가’하는 면에서 많은 공부가 되었다”라고 말한다. 앞으로는 양자 비트 확장에 대응하면서 보다 가는 케이블을 개발해 나갈 생각이다. 또한 다른 분야에 대한 응용도 고려하며, 새로운 초전도 재료에도 도전할 계획이라고 한다.

-- 정밀가공 기술로 커넥터 제조 --
가와사키시에 본사를 둔 가와시마제작소는 자동차를 비롯해 광통신, 위성, 의료기기 등의 업계에 정밀부품을 납품해 온 업체다. 초전도 양자컴퓨터에서는 국내외 연구기관용으로 케이블과 각 부품을 연결하는 커넥터를 개발하고 있다.

가와시마제작소의 커넥터의 큰 특징은 커넥터와 케이블의 접속 부분이 나사 모양으로 되어 있다는 것이다. 일반적으로는 커넥터와 케이블은 납땜으로 접합하지만 초전도 양자컴퓨터는 희석 냉동기 내부가 절대 영도 가까이 된다. “팽창 수축을 반복하면 접합부의 땜납이 깨지는 경우가 있다”(개발센터의 가와하라(川原) 주석).

나사의 경우는 접합용 금속이 깨질 우려는 없다. 하지만 직경 수 밀리미터~1밀리미터 이하의 케이블과 커넥터에 나사골을 만들어야 하는 고도의 가공 기술이 필요하다. 가와시마제작소는 250대 이상의 공작기기를 갖추고 있고, 절삭 공구인 '바이트'의 제조 기술도 자사에서 보유하고 있다. 자동차나 통신의 정밀부품에서 축적한 노하우를 커넥터 설계와 가공에도 활용하고 있다고 한다.

커넥터에서도 양자 비트 확장에 대한 대응이 향후 과제가 된다. 양자 비트 확장에 맞춰 케이블을 가늘게 하고, 커넥터를 소형화하면 양자(両者)의 접점도 작아진다. 양자의 팽창계수 차이가 접속 불량으로 이어질 가능성도 있기 때문에 소재나 설계를 연구해서 대응할 계획이다. 배선을 보다 작은 공간에서 쉽게 할 수 있도록 몇 개의 케이블을 하나의 커넥터로 연결하는 집적화도 검토하고 있다.

-- 우주를 뛰어넘는 비자성(non-magnetic)의 요구 수준 --
일본항공전자공업도 초전도 양자컴퓨터용으로 커넥터를 개발/제조한다. 국가가 도전적인 연구 개발을 뒷받침하는 '문샷형 연구개발제도'에서 '2050년까지 경제/산업/안전보장을 비약적으로 발전시키는 오류 내성형 범용 양자컴퓨터를 실현한다’고 한 목표 6개 중에는 NEC가 대표기관을 맡고 있는 '초전도 양자회로의 집적화 기술 개발'이라는 항목이 있고, NEC의 자회사인 일본항공전자공업이 동축커넥터와 기판 개발을 담당한다.

일본항공전자공업의 강점은 비자성에 대한 지식이다. 초전도 양자컴퓨터의 커넥터는 노이즈를 방지하기 위해 자기를 띠지 않아야 한다. 일본항공전자공업은 우주항공용으로 비자성 커넥터를 개발한 경험을 살려 기술을 연마하고 있다.

일본항공전자공업의 우주 항공용 제품은 잔류 자기의 규정을 충족하도록 개발/제조하고 있었다. 양자컴퓨터에서는 아직 규정 등이 존재하지 않지만 더 엄격한 수준을 요구할 것으로 보인다.

비자성의 추구는 소재 연구에 의한다. 주로 구리재를 사용하는데, 예를 들어 접촉 기능이 있는 스프링 부분에는 비자성 특징을 갖는 베릴륨을 이용하는 등 기능에 맞게 재질을 고른다. 금도금으로 표면 처리하는 부분은 부드럽고 마모되기 쉬운 금의 특성을 보완하기 위해 밑바탕에 니켈이나 구리 등을 이용해 부품의 특성을 유지하고 있다고 한다.

일본항공전자공업은 공간 절약 배선이 가능하도록 하기 위해 커넥터를 접속하는 기판도 개발하고 있다. 케이블과 커넥터, 커넥터와 기판 사이에서 마이크로파를 원활하게 전달하기 위해 접속 부분의 '특성 임피던스'가 가까워지도록 재료 선정부터 가공 방법, 부품 모양을 연구하고 있다.

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