Special 국가전략산업 양자 기술 개발 동향 및 산업응용 전망(1)

초전도 기반 양자 소자 기술 개발 동향

이길호_포항공과대학교 물리학과 교수

1.    서론

양자 기술은 최근 수십 년간 이론적 탐색을 넘어 실용화 단계로 빠르게 진입하고 있으며, 이제는 국가 경쟁력을 좌우하는 전략기술로 자리매김하고 있다. 미국, 유럽연합, 중국, 일본 등 주요 국가들은 이미 양자기술 로드맵을 수립하고 막대한 예산을 투자하고 있으며, 이에 대응하기 위해 우리나라도 양자기술산업법을 시행하는 등 다부처 공동으로 양자기술개발 기본계획을 수립하였다. 이 가운데 양자 소자는 양자컴퓨팅, 양자 센싱, 양자 통신의 기반 하드웨어로서 모든 양자 응용 기술의 출발점이 된다. 특히 초전도체 기반 양자 소자는 수십 년간 축적된 전통적인 저온물리학, 응집물리학, 전자공학 등의 노하우를 바탕으로 빠르게 실용화가 진행되고 있는 유력한 하드웨어 플랫폼으로 꼽힌다. 이 기술은 이미 글로벌 ICT 기업과 정부 연구기관의 양자컴퓨팅 시스템 구축에 중심적으로 활용되고 있으며, 최근에는 양자센싱, 양자 이미지, 양자 네트워크 등의 분야로 그 응용 가능성이 확장되고 있다.

초전도 양자 소자가 특히 매력적인 이유는, 양자현상이 단지 미시 세계에서만 존재하는 것이 아니라, 초전도 현상을 통해 거시적인 규모의 집단적 양자 상태로도 안정적으로 구현될 수 있기 때문이다. 일반적으로 원자, 전자, 광자 등 미시적인 양자 시스템은 뛰어난 양자 특성을 보이지만, 그 크기가 작고 외부 환경에 매우 민감하여 실험적 제어와 응용 확장에 어려움이 따른다. 반면, 초전도체에서는 수많은 전자들이 형성한 거시적 양자 상태가 존재하며, 이는 비교적 큰 구조에서도 양자 얽힘과 간섭을 구현할 수 있는 기반이 된다. 이러한 특성 덕분에 초전도 소자는 정밀한 양자 상태 제어와 측정, 다수 큐비트의 집적화 등에서 기술적 유리함을 가지며, 실험적 구현은 물론 응용 확장과 산업화 측면에서도 강점을 지닌다. 우리나라는 반도체, 디스플레이, 이차전지 등의 분야에서 세계적인 기술력을 바탕으로 제조 인프라를 갖추고 있으므로, 초전도 양자 소자 분야에서도 독자 기술 확보 및 상용화 경쟁력 확보가 가능한 위치에 있다. 그러나 이를 위해서는 장기적 관점에서의 기초과학 연구, 시험 기반 구축, 인력 양성, 산학연 연계 플랫폼 조성이 병행되어야 하며, 특히 국제적인 기술 협력 및 경쟁에 대비한 전략적 기술 자립이 요구된다.

본 기고에서는 초전도 양자 소자의 기본 원리, 기술 동향, 응용 사례, 기술적 병목, 산업적 기대효과까지 아우르고자 한다.

2.    초전도 양자 소자의 작동 원리

초전도 양자 소자는 양자역학적 현상을 거시적 규모에서도 안정적으로 구현할 수 있다는 점에서, 양자 기술의 구현 플랫폼으로서 독보적인 위상을 차지한다. 이 기술의 기반은 초전도체의 특성에 있다. 초전도체는 특정 임계 온도 이하에서 전기저항이 0이 되며, 이는 전류가 아무런 손실 없이 흐를 수 있음을 의미한다. 이때 전류를 구성하는 전자들은 개별적으로 움직이지 않고, 쿠퍼쌍(Cooper pair)이라는 상태로 서로 짝을 지어 집단적인 양자상태를 형성한다. 쿠퍼쌍은 동일 양자역학적 파동 함수의 위상(phase)을 유지(결맞음, coherence)한 채, 외부 자극에 따라 집단적으로 간섭 현상을 일으킨다 (그림1). 

초전도 양자 소자의 핵심 구성요소는 조셉슨 접합(Josephson junction)이다. 조셉슨 접합은 두 초전도체 사이에 얇은 절연막(혹은 비초전도물질)을 형성한 구조로, 이 접합을 통해 흐르는 전류는 고전적인 전압 차가 아닌 두 초전도체 간의 위상 차이에 의해 결정된다 (그림2). 이 위상 차이에 따라 흐르는 전류는 조셉슨 전류라고 불리며, 일반적인 전류와 달리 손실이 없고 양자역학적으로 비선형적인 특성을 가진다. 이러한 특성은 조셉슨 관계로 기술되며, 전압과 위상 사이에는 플랑크 상수를 포함한 양자역학적 관계가 성립한다. 이처럼 위상과 전류의 관계가 양자역학적으로 얽혀 있기 때문에, 조셉슨 접합은 양자 정보를 인코딩하고 조작하는 데 적합한 소자가 된다.

그림 1. (좌) 쿠퍼쌍의 형성.  (우) 초전도체와 일반 금속의 전항의 온도의존성. 

그림 2. 조셉슨 접합 개략도

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<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2025년 8월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>