美프린스턴, 양자컴퓨터 ‘최대 난제’ 돌파…1000큐비트에서 최대 10억 배 개선 효과

프린스턴대학교 연구진이 양자컴퓨터의 최대 난제인 큐비트 결맞음 시간(coherence time) 을 대폭 개선하는 데 성공했다.

연구팀이 새롭게 개발한 탄탈럼–실리콘(tantalum–silicon) 기반 초전도 트렌스몬(transmon) 큐비트는 1밀리초 이상 상태를 유지했다. 이는 기존 학계 최고 기록의 약 3배, 산업계 표준 대비 약 15배에 달하는 성능이다.

연구 결과는 11월 5일자 네이처(Nature)에 게재됐다.

앤드루 하우크(Andrew Houck) 프린스턴 공대 학장은 “지금 양자컴퓨터가 실용적이지 않은 이유는 간단하다. 정보를 담은 큐비트가 너무 빨리 사라진다”며 “이번 성능 도약은 다음 세대로 가기 위한 큰 발걸음”이라고 평가했다.

구글·IBM 시스템과 ‘즉시 호환’… 1000배 성능 향상 가능

연구팀은 구글과 IBM이 사용하는 초전도 트랜스몬(transmon) 구조를 유지하면서도, 내부 손실을 대폭 줄이는 새로운 재료 조합을 도입했다. 핵심은 두 가지다.

1. 알루미늄 대신 탄탈럼을 사용해 에너지 손실과 오류 발생을 억제
2. 전통적으로 사용되던 사파이어 기판을 고순도 실리콘으로 교체해 제조 효율 및 수율을 향상

탄탈럼은 금속 표면의 결함이 적고, 강산 세척에도 견딜 만큼 강해 초전도 회로의 청정도를 크게 높인다. 하우크는 “구글 Willow 프로세서에 당장 우리 부품을 일부만 바꿔 달아도 성능이 최대 1,000배 개선될 수 있다”고 설명했다. 연구팀은 이 개선이 큐비트 수 증가에 따라 기하급수적으로 커져, 1,000큐비트 급 시스템에서는 최대 10억 배의 효과도 이론적으로 가능하다고 전망한다.

‘10년 만의 최대 점프’… 큐비트 상태 유지 시간 개선이 왜 중요한가

현재 양자컴퓨터가 실용화되지 못한 가장 큰 이유는 계산 도중 큐비트가 정보를 잃는 현상 때문이다. 초전도 트랜스몬 큐비트는 환경 소음에 비교적 강하지만, 금속면의 미세한 결함이 에너지를 흡수하면서 큐비트가 곧 붕괴한다.
프린스턴 연구팀이 만든 새 회로는 이러한 ‘에너지 누출’을 거의 차단해, 지난 10여 년간 정체돼 있던 큐비트 수명 한계를 단번에 넘어섰다.

네서널리 드 레온(Nathalie de Leon) 프린스턴 양자이니셔티브 공동소장은 “우리가 만든 탄탈럼–실리콘 칩은 단순히 오래 가는 것을 넘어서, 대량 생산에도 적합하다”며 “업계 전체가 바로 채택할 수 있는 기술”이라고 말했다.

‘묘지에서 살아남은 아이디어’… 노벨상 수상자도 극찬

구글 양자 AI의 하드웨어 총책임자이자 연구 후원자였던 미셸 드보레(Michel Devoret)는 이번 성과를 “수많은 아이디어가 사라졌던 묘지에서 살아남은 희귀한 성공 사례”라고 표현했다. 그는 2025년 노벨물리학상 수상자이기도 하다.

탄탈럼의 도입은 사실 프린스턴 재료화학자 로버트 카바(Robert Cava)의 직관에서 시작됐다. 드 레온의 강연을 들은 뒤 “차라리 탄탈럼을 써보라”고 제안했고, 세 연구팀이 협력한 끝에 기존 초전도 금속 대비 월등한 품질을 확보할 수 있었다.

초기 실험은 사파이어 기판 위에서 진행됐고, 당시에도 세계 기록급 수명을 확인했다. 이후 연구팀은 주요 손실이 사파이어 기판에서 비롯됨을 파악하고, 이를 고순도 실리콘으로 교체해 이번 ‘밀리초급’ 성능을 완성했다.

실리콘 기반 초전도 큐비트의 시대 열리나

이번 연구의 주저자는 포닥 연구원 파라낙 바흐라미(Faranak Bahrami)와 박사과정 매튜 블랜드(Matthew Bland)이며, 미국 에너지부 산하 국립 양자정보과학센터와 C2QA(Co-design Center for Quantum Advantage)의 지원을 받았다.

드 레온은 “우리는 이제 실리콘 플랫폼에서도 가능함을 보였다”며 “대규모 양자프로세서를 만드는 어떤 기업도 바로 활용할 수 있는 로드맵을 제시한 셈”이라고 강조했다.

하우크는 이번 성과를 “유용한 양자컴퓨터를 향한 결정적 돌파구”라고 표현했다. 재료 과학, 양자회로 설계, 정밀 측정기술이 결합된 이 성과는 양자컴퓨팅이 연구실 단계를 넘어 실제 문제 해결 단계로 나아가는 데 중추적 역할을 할 것으로 기대된다.