양자 컴퓨터의 25년 묵은 약점, 조셉슨 접합 재설계에 NSF 2,790만 달러 투입

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NSF 2,790만 달러가 향한 초미세 병목

양자 컴퓨터 경쟁의 초점은 큐비트(qubit) 수 확장에서 개별 부품의 신뢰도 확보로 이동하고 있다. 미국 국립과학재단(NSF)이 프린스턴대학교 주도의 MARQUIS 연구소에 5년간 2,790만 달러를 지원하기로 한 결정은 이 전환을 보여주는 사례다.

UC 샌타바버라(UC Santa Barbara·UCSB) 연구진이 참여하는 이번 연구의 표적은 초전도 큐비트(superconducting qubit) 안쪽의 조셉슨 접합(Josephson junction)이다. 일반 독자에게는 낯선 부품이지만, 이 얇은 접합의 품질이 향후 의약품 설계, 신소재 탐색, 암호 기술, 고성능 계산 서비스의 속도와 비용을 바꿀 가능성을 품고 있다. 양자 컴퓨터의 병목은 거대한 냉각 장비나 미래형 알고리즘에만 있지 않다.

두 알루미늄 층 사이에 극도로 얇은 산화알루미늄 층을 끼운 작은 구조, 그것도 단 몇 원자 두께의 물질 계면이 계산 오류의 출발점이 된다. UC 샌타바버라 뉴스(UC Santa Barbara News) 보도에 따르면, 오늘날 여러 초전도 방식 시스템이 의존해 온 기본 설계는 약 25년 동안 큰 틀에서 유지됐다. 두 개의 알루미늄 층이 극도로 얇은 산화알루미늄 층으로 분리된 형태가 그것이다.

그 설계는 초기 발전을 가능하게 했지만, 유용한 알고리즘을 안정적으로 구동하는 단계에서는 같은 설계가 한계로 작동한다는 문제의식이 커졌다. 조셉슨 접합은 전류가 초전도 상태에서 특수한 방식으로 흐르도록 만드는 핵심 소자다.

큐비트가 0과 1의 중첩 상태를 활용하려면 회로가 극도로 정밀하게 움직여야 하고, 접합 내부의 결함이나 물질 불균일성은 그 상태를 흔든다. 스마트폰 이용자가 앱 오류를 보고 운영체제 업데이트를 떠올리는 것과 달리, 양자 컴퓨터의 오류는 부품의 원자 배열과 제조 공정에서 시작될 수 있다. 그래서 이번 연구는 더 빠른 칩 하나를 만드는 경쟁보다 밑바닥의 재료와 공정을 다시 설계하는 작업에 가깝다.

눈에 보이지 않는 접합이 계산 신뢰도의 하한선을 정한다는 점에서 산업 전반에 걸친 파급력이 있다. MARQUIS는 '제조 가능하고 탄력적인 초전도 양자 정보 시스템(Manufacturable and Resilient Superconducting Quantum Information Systems)'을 내건 연구소다.

NSF 지원액은 5년간 2,790만 달러다. 참여 규모도 작지 않다. 9개 기관, 약 24개 연구실이 재료 과학(materials science), 양자 장치(quantum device), 반도체 공정(semiconductor processing)을 한 묶음으로 다룬다.

이 구성은 양자 컴퓨터가 더 이상 물리학 실험실 안의 장치만으로 발전하기 어렵다는 현실을 드러낸다. 소재를 계산하고, 박막을 성장시키고, 회로를 반복 제조하며, 측정 결과를 다시 설계에 반영하는 산업형 연구 체계가 필요해진 것이다.

오류 수정이 상용 양자컴퓨터의 분기점

UCSB 쪽 참여진의 면면은 이 과제가 왜 기초과학과 제조기술의 교차점에 놓였는지 보여준다. 초전도 회로 분야의 선구자로 알려진 노벨상 수상자 미셸 드보레(Michel Devoret) 물리학 교수, 원자 규모 물질 거동을 계산으로 분석하는 크리스 반 데 발레(Chris Van de Walle) 허버트 크뢰머 석좌교수, 복합 재료의 성장과 특성화를 다뤄 온 크리스 팜스트룀(Chris Palmstrøm) 석좌교수가 참여했다. 드보레 교수는 UC 샌타바버라 뉴스와의 인터뷰에서 "2026년에 이르러서야 다른 모든 가능한 고장 모드를 완화하는 방법을 알게 되었고, 이제 최고의 접합을 만드는 문제에 도전할 수 있게 되었다"고 밝혔다.

이 발언은 양자 컴퓨팅 연구가 막연한 가능성의 단계에서 결함을 하나씩 제거하는 엔지니어링 단계로 넘어갔음을 보여준다.

실패 원인을 줄여 온 시간이 있었기에, 연구자들은 이제 가장 작은 접합을 정면으로 다룰 수 있게 됐다. 일상에 미치는 영향은 당장 가정용 양자 컴퓨터가 책상 위에 놓이는 방식으로 오지 않는다.

더 현실적인 경로는 클라우드 계산 서비스, 제약·화학 기업의 분자 시뮬레이션, 배터리와 촉매 소재 탐색, 복잡한 최적화 문제를 다루는 산업용 소프트웨어다. 유용한 양자 알고리즘을 실행하려면 오류 수정(error correction)이 필수로 꼽힌다. 오류 수정은 많은 물리적 큐비트를 묶어 계산 정보를 보호하는 방식인데, 개별 조셉슨 접합의 결함이 줄어들수록 필요한 보정 부담도 낮아질 수 있다.

이는 양자 컴퓨터의 가격, 전력, 냉각 인프라, 데이터센터 운영 모델까지 연결되는 문제다. 정책 측면에서도 NSF의 선택은 선명하다. MARQUIS는 NSF의 퀀텀 리프 챌린지 연구소(Quantum Leap Challenge Institutes) 프로그램 내 2억 9,000만 달러 규모 자금 라운드에서 만들어진 8개 연구소 중 하나다.

UCSB 연구자들은 이 8개 가운데 3개 연구소에 참여한다. 정부가 특정 기업 제품이 아니라 대학·연구소·공정 기술을 묶은 장기 연구망에 자금을 배정했다는 점이 중요하다. 양자 기술 경쟁은 특허 수와 논문 수만으로 판가름나지 않는다.

반복 생산 가능한 부품, 결함을 계량하는 표준, 공정 데이터를 축적하는 연구 생태계가 있어야 산업으로 이어진다. 본지 종합 판단으로는, 한국 독자에게 이 소식은 먼 미국 대학 연구의 후일담으로 끝나지 않는다. 국내 반도체·소재·장비 산업은 이미 극미세 공정, 박막 증착, 계면 제어, 저온 측정 장비와 연결된 기술 기반을 갖고 있다.

다만 양자 컴퓨터용 부품은 기존 로직 반도체와 목표가 다르다. 더 작고 빠른 트랜지스터만으로 해결하지 못하는 안정성, 잡음, 초저온 환경, 양자 상태 보존 시간이 핵심 지표가 된다.

따라서 한국이 양자 산업에서 기회를 찾으려면 완제품 경쟁보다 재료·공정·측정 인프라의 틈새를 먼저 겨냥하는 전략이 더 현실적이다.

한국 일상과 산업에 닿을 장기 변화

반론도 있다. 양자 컴퓨터가 아직 일상 제품으로 자리 잡지 못했고, 상용화 시점도 공식 확인되지 않았다는 지적은 타당하다. 실제로 이번 UCSB 보도는 일반 소비자가 언제 양자 서비스를 쓰게 되는지, MARQUIS 연구가 몇 년 뒤 어떤 성능 수치로 이어질지를 확정하지 않았다.

그러나 그 불확실성이 투자의 의미를 약하게 만들지는 않는다. 인터넷과 반도체 산업도 초기에 공공 연구비, 대학 연구실, 표준화 과정, 제조공정 축적을 거치며 일상 기술로 변했다. 조셉슨 접합 재설계는 화려한 제품 발표가 아니지만, 실패율을 낮추는 지루한 기반 작업이 다음 시장의 문턱을 낮춘다.

앞으로 살펴볼 지점은 연구소 명칭이나 지원액 자체가 아니라 '제조 가능성'이라는 단어가 실제 성과로 이어지는 과정이다. 접합을 더 균일하게 만들고, 재료 결함을 계산으로 예측하며, 여러 연구실의 공정 결과를 비교할 수 있어야 한다.

여기서 성과가 나오면 양자 컴퓨터는 과학 시연 장치에서 반복 생산 가능한 계산 인프라로 한 걸음 이동한다. 본지 분석에 따르면, 한국의 정책도 거대 담론보다 이런 세부 병목을 겨냥해야 한다.

양자 시대를 준비한다는 말은 미래를 기다리는 태도가 아니라, 원자 몇 층짜리 결함을 줄이는 제조 역량에 지금 투자할 것인지 묻는 일이다. ※ 이 기사는 UC Santa Barbara News의 'UCSB 연구팀, 양자 컴퓨터 핵심 조셉슨 접합 재건축 주도…NSF 2,790만 달러 지원' 보도를 참조하여 작성하였습니다.

원문의 정확한 보도 날짜와 기자명은 현재 확인되지 않았습니다.

FAQ

Q. 조셉슨 접합 연구가 일반인의 생활을 바로 바꾸는 사안인가

A. 당장 스마트폰이나 노트북에 양자 칩이 들어간다는 의미는 아니다. 현재 확인된 내용은 NSF가 MARQUIS 연구소에 5년간 2,790만 달러를 지원하고, UCSB 연구진이 초전도 큐비트의 핵심 부품 개선에 참여한다는 사실이다. 생활 변화는 클라우드 기반 계산 서비스, 신약 후보 물질 탐색, 배터리 소재 연구 같은 산업 영역을 거쳐 간접적으로 나타날 가능성이 크다. 일반 독자는 제품 출시 일정이 아니라 오류 수정과 제조 안정성 지표가 얼마나 개선되는지를 살피는 편이 현실적이다.

Q. 왜 하필 단 몇 원자 두께의 접합이 양자 컴퓨터의 병목이 되는가

A. 초전도 큐비트는 매우 약한 양자 상태를 이용하므로 작은 물질 결함도 계산 오류로 이어질 수 있다. 조셉슨 접합은 큐비트 회로의 핵심 동작을 정하는 부품이며, 두 알루미늄 층과 얇은 산화알루미늄 층의 계면 품질이 안정성에 영향을 준다. UC 샌타바버라 뉴스 보도에 따르면 약 25년 동안 기본 설계가 큰 틀에서 유지됐다. 연구진이 접합을 다시 다루는 이유는 큐비트 수 확대 이전에 개별 부품의 신뢰도를 끌어올려야 오류 수정 부담을 줄일 수 있기 때문이다.

Q. 한국 기업과 연구기관은 어떤 부분을 준비해야 하나

A. 이번 사례는 양자 컴퓨터 경쟁이 알고리즘이나 완제품 장치만의 문제가 아니라 재료, 공정, 측정 기술의 결합이라는 점을 보여준다. 한국의 반도체·소재·장비 역량은 박막 성장, 계면 분석, 초정밀 제조 같은 영역과 맞닿아 있다. 다만 양자 부품은 기존 반도체와 평가 기준이 다르므로 초저온 측정, 잡음 분석, 큐비트 수명 평가 같은 별도 역량을 함께 축적해야 한다. 정부와 대학, 기업이 단기 시제품보다 반복 생산 가능한 공정 데이터를 쌓는 방향으로 협력할 때 산업적 기회가 커진다.

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