양자컴, 대량 생산 가능할까

[아이뉴스24 정종오 기자] 국내 연구팀이 지금까지 무작위로 생성되던 양자 큐비트를 벽돌 쌓듯 원하는 위치에 정교하게 배열하는 기술을 개발했다. 양자컴퓨터 상용화의 걸림돌이었던 ‘대량 생산' 문제가 해결될 수 있을지 눈길을 끈다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 영남대 김종수 교수 연구팀이 양자 컴퓨터 상용화의 핵심 난제인 큐비트의 대량 생산 가능성을 여는 ‘집속이온빔(FIB) 기반 초정밀 반도체 나노구조 정렬 성장 원천기술’을 개발했다고 20일 발표했다.

집속이온빔(FIB, Focused Ion Beam)이란 가늘게 집속된 이온 빔을 시료 표면에 쏘아 나노미터 크기의 초미세 패턴을 깎아내거나 형상을 가공하는 장비를 말한다.

세계적으로 연구가 활발한 ‘자발 형성(Self-assembled)’ 방식의 양자점 성장 방식은 고품질 소자 구현은 가능한데 생성 위치와 크기를 조절할 수 없는 ‘무작위성’이 한계였다.

이는 좋은‘벽돌(양자점)’은 있는데 설계도대로 벽돌을 쌓을 ‘건축 기술(제어 공정)’이 부재한 것을 의미한다. 복잡한 양자 회로 구현과 대량 생산을 가로막는 현대 물리학의 대표적 난제이다.

연구팀은 물리적 가공(FIB)과 화학적 성장(MBE)을 진공상태에서 연계한 독창적 공정으로 불순물 오염 없이 고품위 양자 구조를 제작할 수 있는 기반을 마련했다. 단일 양자점뿐 아니라 복합 양자구조까지 구현 가능한 ‘양자 소자 정밀 제작 플랫폼’을 구축한 성과다.

연구팀은 먼저 양자점이 자라나는 ‘초기 핵 생성’과정을 제어하기 위해 집속이온빔(FIB)을 이용한 전처리 공정 기술을 개발했다.

이어 나노미터(nm) 단위의 정밀도로 기판을 가공해 양자점의 씨앗 역할을 하는 ‘갈륨(Ga) 액적(물방울)’을 원하는 위치에 정확한 크기로 배열하는 데 성공했다. 이는 우연에 의존하던 기존의 성장 방식을 공학적 통제가 가능한 영역으로 전환한 핵심 성과다.

연구팀은 이 정밀 제어 기술을 바탕으로 분자선박막증착(MBE) 장비와의 연계 공정을 확립하는 연구를 진행 중이다. 분자선박막증착(MBE, Molecular Beam Epitaxy)은 진공 상태에서 원자나 분자를 빔(Beam)처럼 쏘아 기판 위에 얇은 막(박막)을 원자층 단위로 쌓아 올리는 초정밀 결정 성장 장비이다.

앞으로 MBE 장비가 구축되면 앞서 확보한 ‘정렬된 Ga 액적’ 위에 고순도 반도체 결정을 성장시켜 완벽하게 제어된 양자 큐비트 구조의 대량 실현이 가능할 전망이다.

다만 앞으로 해결해야 할 숙제는 있다. 집속이온빔(FIB)은 정밀도는 높은데 하나씩 패턴을 그리는 방식이라 대량 생산에는 시간이 오래 걸린다.

여기에 표면을 매끄럽게 회복시키는 열처리(Annealing) 기술과 재성장(Regrowth) 최적화 공정을 확립, 양자 효율을 극대화하는 것이 시급한 과제다.

김종수 교수는“이번 연구는 기존 성장 방식의 낮은 수율 문제를 해결하고 양자 큐비트의 대량 생산과 고집적 회로 구현을 가능케 하는 기술적 토대를 마련한 데 의의가 있다”며 “우리나라가 차세대 양자 컴퓨팅 하드웨어 분야에서 기술 주도권을 선점하는 중요한 토대가 될 것으로 기대된다”고 말했다.