양자 컴퓨터의 신뢰할 수 있는 계산 수행을 위해 필수적인 극저온 기술에 새로운 진전이 이루어졌다.

스웨덴 샬머스 공과대학과 미국 메릴랜드 대학 연구진은 초전도 양자비트를 자율적으로 기록적인 저온까지 냉각시킬 수 있는 새로운 유형의 양자 냉장고를 개발했다고 밝혔다. 이 혁신적인 기술은 양자 컴푸터의 오류율을 줄이고 계산 신뢰성을 크게 높이는 기반을 마련했다. 해당 연구에 대해서는 네이처닷컴, Phys, 뉴 사이언티스트 등 다수 외신이 보도했다.

양자 컴퓨터는 의학, 에너지, 암호화, 인공지능(AI), 물류 등 다양한 분야에서 기존 기술을 혁신할 잠재력을 가지고 있다. 양자 컴퓨터의 기본 단위인 '양자비트(Qubit)'는 기존 컴퓨터의 비트처럼 0 또는 1의 값을 가지는 대신, 0과 1을 동시에 가질 수 있는 '중첩(superposition)' 상태를 통해 병렬 계산이 가능하다. 이는 양자 컴퓨터가 방대한 계산 잠재력을 발휘할 수 있는 주요 원인이다.

하지만 양자비트는 외부 환경에 극도로 민감하다. 샬머스 공과대학의 양자 기술 연구 전문 연구원 아미르 알리는 "약한 전자기 간섭도 양자비트의 값을 무작위로 바꿔 오류를 일으킬 수 있다"며, 이를 방지하기 위해 비트를 절대영도(섭씨 -273.15도)근처의 상태로 냉각해야 한다고 설명했다.

현재 사용되는 희석 냉장고는 양자비트를 약 50밀리켈빈(절대 온도에서 약간 높은 온도)까지 냉각할 수 있지만, 이를 더 낮추는 것은 열역학법칙에 따라 어려움이 따른다. 이에 따라 연구진은 기존 냉각 기술을 보완하는 자율형 양자 냉장고를 개발했다. 이 냉장고는 초전도 회로를 기반으로 하며, 환경에서 발생하는 열을 동력으로 삼아 외부 제어 없이 작동한다.

새로운 냉장고는 목표 양자비트를 22밀리켈빈까지 냉각할 수 있으며, 계산 전 양자비트가 '기저 상태(ground state)'에 있을 확률을 99.97%까지 높였다. 이는 기존 기술 대비 성능을 한층 끌어올린 결과다. 연구를 이끈 아미르 알리는 "미세한 차이처럼 보일 수 있지만, 반복적인 계산에서는 큰 효울성 향상을 가져온다"고 강조했다.

양자 냉장고는 두 개의 양자 비트간 상호 작용을 활용해 목표 양자 비트의 열을 제거한다. 한 비트는 열 환경에서 에너지를 받아 들이고, 다른 비트는 이 에너지를 냉각된 환경으로 전달한다. 이 과정은 완전히 자율적으로 이루어진다.

이번 연구는 자율형 양자 열기계가 실제로 유용한 작업을 수행한 첫 사례로 평가된다. 샬머스 공과대학의 시모네 가스파리네티 교수는 "초기에는 개념 증명 정도로 생각했지만, 이 기계의 성능이 기존의 냉각 프로토콜을 뛰어넘는다는 사실이 놀랐다"고 말했다.

이 기술은 스웨덴 샬머스 공과대학의 나노 제작실 마이팹(Myfab)에서 개발됐다. 이번 연구는 학술지 '네이처 피직스(Nature Physics)'에 게재됐다. 연구진은 향후 이 기술이 양자 컴퓨터의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대하고 있다.

◇ 참고 논문: "Thermally driven quantum refrigerator autonomously resets a superconducting qubit", Nature Physics (2025), DOI: 10.1038/s41567-024-02708-5