양자컴퓨터 뉴스를 보면 보통 큐비트가 몇 개냐를 두고 경쟁하죠. 그런데 개수만큼 중요한데 잘 언급되지 않는 문제가 하나 있어요. 바로 큐비트의 '크기'예요. 지금 IBM이나 구글이 쓰는 초전도 큐비트는 한 개가 밀리미터 수준으로, 나노미터 단위인 트랜지스터와 비교하면 어마어마하게 커요. 그런데 원자 몇 층 두께밖에 안 되는 2차원 소재를 활용해 이 큐비트를 획기적으로 작게 만드는 연구가 나왔어요.
큐비트는 왜 그렇게 클까요
먼저 용어부터 풀고 갈게요. 큐비트는 양자컴퓨터의 기본 단위로, 0과 1을 동시에 품을 수 있는 양자 상태를 저장하는 소자예요. 그중 가장 널리 쓰이는 방식이 '트랜스몬'이라는 초전도 회로인데, 구조는 의외로 단순해요. 조셉슨 접합이라는 특수한 스위치 하나와 커패시터(전하를 저장하는 부품) 하나로 이뤄져 있거든요.
문제는 이 커패시터예요. 커패시터를 작게 만들려면 두 금속판 사이에 절연 물질(유전체)을 끼운 샌드위치 구조가 유리한데, 반도체에서 흔히 쓰는 절연 물질은 원자 배열이 무질서한 '비정질' 소재라 미세한 결함이 가득해요. 이 결함들이 큐비트의 에너지를 조금씩 훔쳐가면서 양자 상태를 깨뜨리거든요. 이렇게 양자 정보가 주변 잡음에 무너지는 걸 '결어긋남(디코히어런스)'이라고 하는데, 양자컴퓨터의 최대의 적이에요. 그래서 기존 트랜스몬은 결함 많은 절연물을 피하려고 아예 진공을 유전체 삼아 금속판을 평면에 넓게 펼치는 방식을 써 왔고, 그 대가로 면적이 커진 거예요.
원자 두께 결정, hBN의 등장
연구진이 주목한 소재는 육방정계 질화붕소, 줄여서 hBN이에요. 그래핀처럼 원자 몇 층 두께로 얇게 벗겨낼 수 있는 2차원 결정인데, 결정 구조가 거의 완벽해서 결함이 극히 적어요. 다시 말해 에너지를 훔쳐갈 도둑이 거의 없는 절연 물질인 거죠.
이 hBN을 초전도 금속판 사이에 끼워 진짜 샌드위치형(평행판) 커패시터를 만들었더니, 넓게 펼칠 필요가 없어지면서 커패시터 면적이 기존 대비 수백 분의 일 수준으로 줄어들었어요. 중요한 건 크기를 줄이면서도 양자 상태가 유지되는 시간, 즉 결맞음 시간이 실용적인 마이크로초 수준을 지켰다는 점이에요. 작게 만들면 성능이 무너지던 기존의 딜레마를 소재 교체로 돌파한 셈이죠.
왜 이게 업계 흐름에서 중요하냐면
양자컴퓨터가 진짜 쓸모 있으려면 오류 정정이 필요한데, 논리 큐비트 하나를 만드는 데 물리 큐비트가 수백에서 수천 개씩 들어가요. 결국 의미 있는 계산을 하려면 수십만에서 수백만 개의 큐비트를 한 시스템에 넣어야 하는데, 큐비트 하나가 밀리미터급이면 칩 면적과 배선이 감당이 안 되거든요. 반도체가 트랜지스터를 계속 줄여서 오늘의 컴퓨터를 만들었듯, 양자컴퓨터도 결국 소형화 없이는 스케일링이 불가능해요. 그래핀에서 시작된 2D 소재 연구가 디스플레이나 배터리를 넘어 양자 하드웨어의 병목을 푸는 열쇠로 등장했다는 점도 흥미롭고요. 이온트랩이나 광자 방식 같은 경쟁 진영과의 승부에서 초전도 방식의 약점 하나를 지워주는 연구이기도 해요.
한국 개발자에게는
솔직히 내일 당장 실무에 쓸 기술은 아니에요. 하지만 두 가지 관점에서 챙겨둘 만해요. 첫째, 한국은 반도체 소재와 공정에 강한 나라라서 2D 소재와 양자 소자의 접점은 국내 연구와 산업에도 기회가 되는 영역이에요. 둘째, 소프트웨어 쪽에서는 양자컴퓨터가 현실화될수록 양자내성암호(양자컴퓨터로도 못 푸는 새 암호 체계) 전환 같은 숙제가 우리 몫으로 내려오거든요. 하드웨어 로드맵이 어디쯤 왔는지 읽는 눈을 길러두면, 이런 전환의 타이밍을 판단할 때 큰 자산이 돼요.
정리하면, 원자 몇 층짜리 hBN이 큐비트 소형화의 오랜 딜레마를 풀 실마리를 보여줬다는 소식이에요. 여러분은 양자컴퓨터가 개발자 일상에 실제로 영향을 주는 시점이 언제쯤이라고 보시나요?
🔗 출처: Hacker News