과학자들이 소음을 이용해 양자 컴퓨터를 냉각시키는 방법을 찾았습니다.

두 개의 마이크로파 채널은 각각 붉은색과 푸른색 빛으로 강조되는 고온 및 저온 열 저장소 역할을 합니다. 이 열 저장소는 두 개의 큐비트로 구성된 인공 분자에 연결되어 있습니다. 제어된 마이크로파 노이즈(흰색 화살표)는 측면 포트를 통해 주입되어 열 전달을 유도하고 조절합니다. 이미지 제공: Simon Sundelin

양자 컴퓨터는 극도로 낮은 온도로 유지될 때만 작동합니다. 문제는 현재의 냉각 시스템이 소음을 발생시켜 양자 정보 보호라는 중요한 과제에 방해를 줄 수 있다는 점입니다. 스웨덴 찰머스 공과대학교의 연구진은 이러한 문제를 오히려 장점으로 활용하는 새로운 형태의 최소형 양자 "냉장고"를 개발했습니다. 이 장치는 소음과 싸우는 대신, 작동에 부분적으로 소음을 이용합니다. 그 결과, 열과 에너지 흐름을 매우 정밀하게 제어할 수 있게 되었으며, 이는 대규모 양자 기술 구현에 크게 기여할 수 있습니다.

양자 기술은 사회 주요 영역을 혁신적으로 변화시킬 것으로 널리 기대되고 있습니다. 잠재적 응용 분야로는 신약 개발, 인공지능, 물류 최적화, 안전한 통신 등이 있습니다. 이러한 가능성에도 불구하고, 실제 활용을 가로막는 심각한 기술적 장벽이 여전히 존재합니다. 가장 어려운 과제 중 하나는 이러한 시스템의 작동을 가능하게 하는 미묘한 양자 상태를 유지하고 제어하는 ​​것입니다.

양자 컴퓨터가 절대 영도에 가까워야 하는 이유

초전도 회로로 제작된 양자 컴퓨터는 절대 영도에 매우 가까운 온도(약 -273°C)까지 냉각되어야 합니다. 이러한 온도에서 물질은 초전도 상태가 되어 전자가 저항 없이 이동할 수 있게 됩니다. 이러한 극한 조건에서만 양자 정보의 기본 단위인 큐비트 내부에 안정적인 양자 상태가 형성될 수 있습니다.

양자 상태는 극도로 민감합니다. 온도 변화, 전자기 간섭 또는 배경 소음과 같은 작은 변화에도 저장된 정보가 순식간에 지워질 수 있습니다. 이러한 민감성 때문에 양자 시스템을 작동하기 어렵고 확장하는 것은 더욱 어렵습니다.

연구자들이 양자 컴퓨터를 확장하여 실용적인 문제를 해결하려고 시도함에 따라 열과 잡음을 제어하기가 더욱 어려워집니다. 더 크고 복잡한 시스템은 원치 않는 에너지가 확산되어 취약한 양자 상태를 교란할 가능성을 높입니다.

"많은 양자 장치는 궁극적으로 에너지의 전달 및 소산 방식에 의해 제한됩니다. 이러한 경로를 이해하고 측정할 수 있게 되면 열 흐름을 예측하고 제어하며 심지어 유용하게 활용할 수 있는 양자 장치를 설계할 수 있습니다."라고 찰머스 공과대학교 양자 기술 박사 과정 학생이자 이번 연구의 주저자인 사이먼 순델린은 말합니다.

소음을 냉각 도구로 활용하기

네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 에 발표된 연구에서 찰머스 대학교 연구팀은 근본적으로 다른 종류의 양자 냉장고를 설명합니다. 이 시스템은 소음을 제거하려 하기보다는 소음을 냉각의 원동력으로 활용합니다.

"물리학자들은 오랫동안 브라운 냉각이라는 현상, 즉 무작위적인 열 변동을 이용하여 냉각 효과를 낼 수 있다는 아이디어에 대해 추측해 왔습니다. 우리의 연구는 지금까지 이 개념을 가장 근접하게 구현한 사례입니다."라고 찰머스 공과대학 부교수이자 이번 연구의 책임 저자인 시몬 가스파리네티는 말합니다.

이 냉장고의 핵심에는 찰머스 공과대학 나노 제작 연구실에서 개발한 초전도 인공 분자가 있습니다. 이 분자는 자연 분자와 매우 유사하게 작동하지만, 원자 대신 미세한 초전도 전기 회로로 구성되어 있습니다.

이 인공 분자는 여러 개의 마이크로파 채널에 연결되어 있습니다. 연구진은 좁은 주파수 범위 내에서 무작위 신호 변동 형태의 마이크로파 잡음을 정밀하게 제어함으로써 열과 에너지가 시스템을 통해 이동하는 방식을 놀라울 정도로 정확하게 제어할 수 있습니다.

"두 개의 마이크로파 채널은 각각 뜨거운 열원과 차가운 열원 역할을 하지만, 핵심은 세 번째 포트를 통해 제어된 노이즈를 주입할 때만 이 두 열원이 효과적으로 연결된다는 점입니다. 주입된 노이즈는 인공 분자를 통해 열원 사이의 열 전달을 가능하게 하고 촉진합니다. 우리는 아토와트, 즉 10⁻¹⁸ 와트 수준의 극히 미세한 열 흐름을 측정할 수 있었습니다. 만약 이처럼 작은 열 흐름으로 물방울 하나를 데운다면, 물방울의 온도가 섭씨 1도 상승하는 데 우주의 나이만큼의 시간이 걸릴 것입니다."라고 순델린은 설명합니다.

확장 가능한 양자 기술을 향한 새로운 길

저장소 온도를 정밀하게 조절하고 미세한 열 흐름을 추적함으로써 양자 냉장고는 다양한 방식으로 작동할 수 있습니다. 조건에 따라 냉장고, 열기관 또는 열 전달 증폭 장치로 기능할 수 있습니다.

이러한 수준의 제어는 특히 큐비트 작동 및 측정 중에 국부적으로 열이 발생하는 대규모 양자 시스템에서 매우 중요합니다. 양자 회로 내부에서 발생하는 열을 직접 관리하면 기존 냉각 시스템으로는 불가능한 방식으로 안정성과 성능을 향상시킬 수 있습니다.

"이번 연구 결과는 기존 냉각 시스템으로는 도달할 수 없는 규모에서 양자 회로 내부의 열을 직접 제어하는 ​​중요한 진전이라고 생각합니다. 이처럼 미세한 규모에서 열을 제거하거나 방향을 전환할 수 있게 됨으로써 더욱 안정적이고 견고한 양자 기술을 구현할 수 있게 될 것입니다."라고 찰머스 공과대학 양자 기술 연구원이자 이번 연구의 공동 저자인 아미르 알리는 말했습니다.

"초전도 회로의 잡음을 이용한 양자 냉각"이라는 제목의 연구가 과학 저널 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재되었습니다. 저자는 찰머스 공과대학교 미세공학 및 나노과학부의 사이먼 순델린, 모하메드 알리 아미르, 비욤 마니쉬 쿨카르니, 클라우디아 카스티요-모레노, 시몬 가스파리네티입니다.

이 양자 냉장고는 찰머스 공과대학교의 나노제조연구소인 마이팹(Myfab)에서 제작되었습니다.

이 연구는 스웨덴 연구위원회, 크누트 및 앨리스 발렌베리 재단(발렌베리 양자 기술 센터(WACQT)를 통해), 유럽 연구위원회 및 유럽 연합의 지원을 받아 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/01/260129080418.htm