▲ (왼쪽부터) 성균관대학교 정연욱 교수, 김영두, 고영우, 박종원 연구원

성균관대학교(총장 유지범) 양자정보공학과 정연욱 교수 연구팀은 양자컴퓨터의 핵심부품이면서 동시에 국가 전략부품인 TWPA(투파: 진행파 파라메트릭 증폭기)의 독자 개발에 성공했다고 발표했다.

정연욱 교수와 김영두, 고영우, 박종원 연구원이 참여한 연구팀은 작년 12월 첫 워킹다이(WD) 웨이퍼를 얻은 이후, 현재 엔지니어 샘플(ES)을 국내외 연구자들에게 배포하고 성능을 검증하며 기술개발을 마무리하고 있다. 이번 TWPA의 개발은 칩의 설계부터 제작 및 패키징, 극저온 평가분석까지 전 과정을 성균관대에서 자체 기술로 진행하였다.

양자컴퓨터 기술은 최근 매우 빠른 속도로 발전하면서 산업화가 가속화되고 있으며, 초전도 기술은 글로벌 대기업이 주로 채택하는 대표적 양자컴퓨터 방식이다. 성균관대 연구진은 세계적 수준의 초전도 양자칩 역량 전반을 보유하고 국내 초전도 양자컴퓨터 연구를 선도하고 있으며, 이미 20~50 큐비트 규모의 양자프로세서(QPU)를 공급한 바 있다.

양자컴퓨터의 기본은 0과 1을 중첩해서 데이터를 읽고 쓸 수 있는 큐비트이며, 양자 신호는 매우 작기 때문에 이를 잘 읽어내기 위해서 잡음이 없는 초정밀 신호증폭기가 필요하다. TWPA(투파: 진행파 파라메트릭 증폭기)는 양자컴퓨터를 작동하기 위해서 반드시 필요한 핵심 부품으로서, 양자역학의 원리가 허용하는 한도에서 잡음이 거의 없는 신호증폭기이다. 기술의 난이도가 매우 높아 극히 일부의 선도국가에서만 제작기술을 보유한 양자기술의 핵심 부품이다.

이번에 개발을 완료한 TWPA는 2,980 개의 조셉슨 접합으로 구성된 초전도칩이며, 양자컴퓨터 시스템에서 양자프로세서(QPU)와 함께 극저온에서 작동하는 대표적 핵심부품이다. 성균관대의 TWPA는 증폭률 20dB이상, 주파수 대역폭 1GHz 이상, 포화세기 –100dBm 이상, 삽입손실 1dB 이하 등 세계 최고 수준의 성능을 보유한 동시에 상용화를 위한 높은 수율과 양산성 및 패키징 기술까지 전 과정을 자체적으로 확보했기 때문에 국내 양자기술의 역량을 한단계 끌어올린 성과이자 향후 도약을 위한 중요한 이정표라고 할 수 있다.

한편, 고성능 TWPA 기술은 미국을 비롯한 선도국가 일부에서만 성공한 기술이며, 이를 포함한 파라메트릭 증폭기 기술은 이중용도(dual-use) 특성 때문에 첨단 반도체 기술과 함께 수출통제가 엄격하게 이루어지는 대표적 품목이다.

이번 연구개발을 주도한 김영두 연구원은 “설계부터 칩 제작까지 매우 빠른 속도로 이루어진 것은, 성균관대의 역량인 동시에 한국의 축적된 반도체 기술 덕분”이라고 말하며 “양자칩 세계 1등의 주역이 되고 싶다”고 포부를 밝혔다. 또한“저희 팀이 초전도 큐비트와 양자프로세서를 위한 칩 공정과 극저온 마이크로파 패키징을 수년간 꾸준히 개발하고 연구해 온 결과로 이번 TWPA 패키징도 설계 및 최적화가 매우 용이했다. 어느 새 우리에게 세계 선두권과 나란히 할 수 있는 초전도 양자기술 개발 역량이 축적되어 있는 것을 느꼈다.”라고 말했다.

정연욱 교수는 “이번 성과는 양자기술이 세계적으로 빠르게 산업화로 진행되는 시점에서 양자컴퓨터의 핵심부품 기술을 자체 확보했다는 점, 전략부품에 대한 수출통제에 대응할 수 있도록 최첨단 양자칩 전과정을 순수 국내 기술로 개발했다는 점, 그리고 상용화를 위한 수율과 양산성을 확보했다는 점 등 국내 양자 소부장의 전기를 마련하는 계기라고 본다”라고 밝혔다. 이어 “이 결과는 산업체로의 기술이전 또는 창업을 통해 상용화를 추진할 예정이며, 성균관대 연구팀은 세계적인 경쟁력을 유지하도록 계속 연구개발을 지원할 예정이다. 성균관대학교는 글로벌 양자기술 협력 생태계의 일원으로서 양자기술의 실용화를 이끌 수 있는 인재를 양성하고, 국내외 양자기술을 선도하는 연구·교육 허브로서의 역할을 지속해 나가겠다.”고 덧붙였다.