냉장고·진공기·레이저, 양자컴의 3대 요소 [테크토크]

양자컴퓨터엔 어떤 기술 필요할까
극저온, 진공 기술, 레이저가 핵심
선단반도체공정과 여러 부분 겹쳐

양자컴퓨터 상용화를 향한 빅테크들의 경쟁이 심화하면서 '수혜주'를 찾으려는 투자자의 움직임도 부산해졌습니다. 양자컴퓨터는 이제 막 가능성의 싹을 틔운 단계인 만큼, 공급망도 생소하고 모호하기 짝이 없습니다. 하지만 현재 전 세계에서 개발 중인 양자컴퓨터들 대다수는 다음 세 가지 장비를 필수적으로 갖춰야 합니다. 바로 냉장고, 진공기, 레이저입니다.

너무 많은 양자컴 종류…그래도 목표는 하나

사실 현 상황에 양자컴퓨터 공급망을 정확히 짚어내는 건 거의 불가능합니다. 양자컴퓨터의 종류 자체가 너무 많기 때문이지요. 빅테크, 스타트업들은 이온 트랩, 초전도체, 포토닉스 등을 비롯해 제각기 수많은 방식으로 양자컴퓨터 제조를 시도하고 있는데, 이들 중 누가 최종 승자가 될지는 아무도 모릅니다.

구글 양자컴퓨터. 연합뉴스

다만 양자컴퓨터의 타입이 제각각이더라도, 이들의 목표는 모두 동일합니다. 양자의 중첩(입자가 여러 상태로 겹쳐 있음), 혹은 얽힘(두 입자가 거리에 상관없이 얽혀 있음) 상태를 이용해 양자 정보의 최소 단위인 '큐비트(Qubit)'를 구현하는 겁니다.

오늘날 구글, IBM, 마이크로소프트, 아이온큐, 퀀티넘 같은 기업들은 주로 초전도체, 이온트랩 방식의 양자컴퓨터를 연구 중입니다. 각각 초전도체의 특성을 활용해 양자 중첩을 만드느냐, 미세 전자기장으로 양자를 '포획'해 얽힘 상태를 만드느냐의 차이입니다.

거의 모든 양자컴퓨터가 의존하게 될 세 핵심 부품

초전도 양자컴퓨터에 연결된 극저온 냉각 장치. 초전도체가 활성화하는 온도인 -273도까지 냉각한다. 블루 포스 홈페이지 캡처

앞서 양자컴퓨터의 공통된 중요 부품으로 냉장고와 진공기, 레이저를 들었는데, 첫 번째는 초전도체 방식 양자컴퓨터를 만들 때 꼭 필요합니다.

초전도체는 고유한 성질을 발동하려면 일명 '임계온도'에 도달해야 합니다. 현재 개발된 대부분 초전도체의 임계온도는 보통 -270도에서 -200도 사이입니다. 어마어마하게 추운 온도이며, 이렇다 보니 일반 냉장고가 아닌 '극저온 냉동고'를 이용해 냉각시켜야 합니다. 따라서 초전도체 기반 양자컴퓨터 제작엔 극저온 기술력이 핵심입니다.

한편 레이저는 이온트랩 방식 양자컴퓨터에 필요합니다. 미세 전자기장에 묶인 이온화된 이터븀, 혹은 칼슘 입자에 레이저를 쪼여 상태를 변화시킴으로써 양자 얽힘을 만들기 때문입니다.

진공 장치에 밀봉된 퀀티넘의 양자컴퓨터. 허니웰 홈페이지 캡처

진공 기술은 두 양자컴퓨터 모두에 중요합니다. 입자를 양자 상태로 만들어 큐비트를 구현했다고 해서 끝난 게 아닙니다. 현재 양자컴퓨터는 주변 환경에 매우 취약합니다. 극히 작은 소음, 작은 먼지, 열만으로도 양자 상태가 붕괴할 수 있습니다.

특히 이온트랩 양자컴퓨터는 이온화된 입자를 큐비트의 원료로 쓰기에 진공 공간에서 작동해야 합니다. 이온은 공기 중의 입자에 극히 민감하기 때문입니다. 초전도체 컴퓨터는 이온트랩만큼 외부 환경에 연약하진 않지만, 여전히 주변 소음이나 오염은 큐비트의 품질을 떨어뜨릴 수 있습니다.

양자컴도 전통 반도체에 수혜 입어

양자컴퓨터 구현의 3대 핵심 부품은 흥미롭게도 반도체 공급망과 상당히 흡사합니다. 진공 기술은 선단 반도체 생산 시설, 즉 팹(fab)에 이미 적극적으로 쓰이고 있습니다. ASML의 EUV 노광장비 내부에도 진공실이 탑재되며, 반도체 웨이퍼의 표면에 박막을 입힐 때도 진공 공간에서 작업을 수행하지요.

레이저는 두말할 것 없이 현대 반도체 공정 설비의 핵심입니다. 웨이퍼의 표면에 광 반응 물질을 덮은 뒤 반도체 회로의 밑그림을 그려주는 포토레지스트(노광) 과정을 초미세 레이저로 수행하고 있습니다.

세계 최대의 과학용 레이저 기업 중 하나인 IPG 포토닉스의 양자컴퓨터 레이저 장치. IPG 포토닉스 홈페이지

물론 반도체 공정에 쓰이는 레이저와 양자컴퓨터 레이저의 출력, 파장, 정밀성 요구 수준은 엄연히 서로 다릅니다. 하지만 반도체 산업의 성장은 레이저 수요를 끌어올렸고, IPG 포토닉스나 코히런트 같은 거대 레이저 기업들이 부상해 양자컴퓨터 연구에 이바지하고 있습니다.

즉, 양자컴퓨터 개발도 반도체 제조 공정의 발전에 수혜를 입은 셈입니다. 현재 양자컴퓨터 개발에서 가장 앞서 나간 기업들인 구글, IBM, 퀀티넘 같은 기업들 모두 반도체 산업계와 밀착 협력하고 있거나, 과거부터 컴퓨터 하드웨어 관련 비즈니스를 보유한 업체였던 것은 우연이 아닐 겁니다.

임주형 기자 skepped@asiae.co.kr