(왼쪽부터) 성균관대학교 정연욱 교수, 김영두, 고영우, 박종원 연구원
성균관대학교(총장 유지범)는 양자정보공학과 정연욱 교수 연구팀이 양자컴퓨터의 핵심 부품이자 국가전략기술 품목인 TWPA 개발을 완료했다고 밝혔다. 이번 연구에는 정연욱 교수와 김영두, 고영우, 박종원 연구원이 참여했다.
연구팀은 지난해 12월 첫 워킹다이(WD) 웨이퍼를 확보한 이후 엔지니어 샘플(ES)을 제작해 국내외 연구자들에게 배포하고 성능 검증을 진행해 왔다. 이번에 개발된 TWPA는 칩 설계부터 제작, 패키징, 극저온 평가·분석까지 전 과정을 성균관대 연구진이 자체 기술로 수행했다.
양자컴퓨터는 최근 기술 고도화와 함께 산업화가 빠르게 진행되고 있으며, 그중 초전도 방식은 글로벌 대기업들이 주로 채택하는 대표적 구현 방식으로 꼽힌다. 성균관대 연구진은 초전도 양자칩 분야에서 세계적 수준의 역량을 확보하고 있으며, 국내 초전도 양자컴퓨터 연구를 선도해 왔다. 연구팀은 이미 20~50큐비트 규모의 양자프로세서(QPU)를 공급한 바 있다.
양자컴퓨터는 0과 1의 중첩 상태를 활용하는 큐비트를 기본 단위로 사용한다. 다만 양자 신호는 매우 미세해 이를 정확히 읽어내기 위해서는 잡음을 극도로 줄인 고정밀 신호 증폭기가 필요하다. TWPA는 양자역학이 허용하는 한도 내에서 잡음을 최소화한 증폭기로, 양자컴퓨터를 구동하기 위해 필요한 핵심 부품으로 평가된다. 기술 난도가 높아 일부 선도국가만 제작 기술을 보유한 분야이기도 하다.
이번에 성균관대가 개발한 TWPA는 2,980개의 조셉슨 접합으로 구성된 초전도 칩으로, 양자컴퓨터 시스템 내에서 양자프로세서와 함께 극저온 환경에서 작동하는 핵심 부품이다. 연구팀에 따르면 해당 칩은 증폭률 20dB 이상, 주파수 대역폭 1GHz 이상, 포화세기 -100dBm 이상, 삽입손실 1dB 이하의 성능을 확보했다.
연구진은 성능뿐 아니라 상용화를 위한 수율과 양산성, 패키징 기술까지 전 과정을 자체적으로 확보했다는 점에 의미를 두고 있다. 세계 최고 수준의 성능과 더불어 생산성과 완성도를 함께 갖춘 만큼, 국내 양자기술 역량을 한 단계 끌어올린 성과이자 향후 산업화의 기반이 될 수 있다는 설명이다.
고성능 TWPA 기술은 미국 등 일부 선도국가에서만 확보한 기술로 알려져 있다. 특히 이 기술을 포함한 파라메트릭 증폭기 기술은 이중용도(dual-use) 특성으로 인해 첨단 반도체 기술과 함께 수출통제가 엄격하게 이뤄지는 품목으로 분류된다.
이번 연구를 주도한 김영두 연구원은 “설계부터 칩 제작까지 매우 빠른 속도로 개발이 진행될 수 있었던 것은 성균관대의 역량인 동시에 한국이 축적해 온 반도체 기술 덕분”이라며 “양자칩 세계 1등의 주역이 되고 싶다”고 말했다. 이어 “초전도 큐비트와 양자프로세서를 위한 칩 공정과 극저온 마이크로파 패키징을 수년간 꾸준히 개발해 온 결과, 이번 TWPA 패키징 역시 설계와 최적화가 매우 용이했다”며 “우리에게 세계 선두권과 나란히 할 수 있는 초전도 양자기술 개발 역량이 축적돼 있음을 느꼈다”고 덧붙였다.
정연욱 교수는 “이번 성과는 세계적으로 양자기술 산업화가 빠르게 진행되는 시점에 양자컴퓨터 핵심 부품 기술을 자체 확보했다는 점, 전략 부품에 대한 수출통제에 대응할 수 있도록 최첨단 양자칩 전 과정을 순수 국내 기술로 개발했다는 점, 상용화를 위한 수율과 양산성을 확보했다는 점에서 국내 양자 소부장의 전기를 마련하는 계기”라고 밝혔다. 이어 “향후 산업체 기술이전이나 창업을 통해 상용화를 추진할 예정”이라며 “성균관대 연구팀이 세계적 경쟁력을 유지할 수 있도록 연구개발을 지속 지원하고, 대학 차원에서도 글로벌 양자기술 협력 생태계의 일원으로서 양자기술 실용화를 이끌 인재를 양성해 국내외 양자기술을 선도하는 연구·교육 허브 역할을 이어가겠다”고 말했다.
[글로벌에픽 이성수 CP / lss@globalepic.co.kr]
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