[양자컴퓨터] 조셉슨 효과(Josephson effect)

조셉슨 효과란?

초전도체와 초전도체 사이에 전류가 흐르지 못하는 부도체를 끼워넣어도 전류가 흐르는 현상을 의미한다.

2개의 초전도체는 비전도 장벽으로 연결(조셉슨 접합이라 한다)되어 있으며, 이 장벽을 넘는 전류는 조셉스 전류라 한다.

 

응용 분야

이것은 초전도 양자 간섭장치, 초전도 큐비트 및 RSFQ 디지털 전자 등 양자 역학적 회로에 응용된다.

양자 컴퓨터에서 언급되는 것이 바로 큐비트 소자와 관련이 있기 때문이다.

반도체의 트렌지스터에는 이를 구성하는 기본 접합인 "PN접합"이 있는 것처럼, 초전도체에는 초전도 접합이 존재하는 것이다. 그리고 이것이 조셉슨 접합이다.

반도체 회로에서는 전류-전압 특성이 선형적인 특성을 갖고 있는 저항, 캐패시터 인덕터 등이 있고, PN접합 소자와 같은 비선형 회로 소자가 있다.

초전도체 역시 기본적인 선형 회로와 조셉슨 접합이라 불리는 비선형적 소자를 이용하여 PN소자와 유사하게 회로의 재료를 만들 수 있다.

일반적으로 전력손실은 양자 큐비트 구동에 치명적인 악영향을 미치기 때문에, 가장 잘 알려진 선형 회로 요소인 저항은 양자 큐비트 소자에 거의 사용되지 않습니다. 

 

참고 뉴스

https://www.mk.co.kr/economy/view/2024/999335

AI 넘어 세상 바꿀 기술...양자컴퓨터, 넌 누구냐

 

양자 통신, 양자 센서, 양자 컴퓨터로 그 활용을 생각해 볼 수 있다.

그 중에서 양자센서는 특정 물리량의 측정을 위해 양자 결맞음, 양자 간섭, 양자 얽힘과 같은 현상을 이용하 여 매우 민감도 높은 센싱이 가능하도록 구현된 양자시스템 형태의 센서를 의미한다. 대표적으로 양자관성센서, 양자시간·주파수센서, 양자 전기장·자기장 센서, 양자광학센 서 등으로 나눌 수 있다.

* 양자기술백서 참고

현재 개발 중인 양자컴퓨팅은 플랫폼에 따라 각각의 특성이 명확하며, 다음과 같이 크게 여섯 종류로 구분할 수 있다.

첫째, 초전도 큐비트 기반의 양자컴퓨팅 플랫폼이다. 초전도는 전자빔 및 포토리소그래피, 식각 공 정 등과 같은 기존에 확립된 반도체 공정을 이용해 제작할 수 있어, 확장성이 높아 현재 가장 주목받는 양자컴퓨팅 플랫폼이다.

두 번째, 반도체 양자점이다. 전계효과 트랜지스터와 흡사한 반도체 소자의 게이트 구조로 에너지 우물을 형성하고, 그곳에 갇힌 전자나 홀 같은 입자의 스핀 상태를 큐비 트 에너지 준위로 사용하는 방법이다.

셋째, 이온 트랩 기술이다. 이온 트랩은 레이저 쿨링 및 전자기적인 포텐셜을 이용해 초고진공하에 서 개별 이온들을 포획하는 방법으로, 포획된 이온들의 잘 정의된 양자상태를 큐비트로 규정하고, 외 부에서 레이저나 라디오파로 큐비트를 조작해 양자계산을 구현하는 기술이다.

넷째, 양자광학에 기반한 컴퓨팅이다. 양자광학은 빛을 구성하는 근본적 단위인 광자를 이용해 광 학 현상을 설명하는 이론이며, 광자는 한자리에 고정된 다른 물리계와 달리 멀리 보낼 수 있어 흔히 플 라잉(Flying) 큐비트라고 부른다.

다섯째, 다이아몬드 Nitrogen Vacancy(NV) 센터이다. 긴 결맞음 시간과 잘 정의된 광학 특성으 로 인해 양자정보 기술 분야에서 주목받는 소재로 떠올랐다. 다이아몬드 NV 센터를 이용한 컴퓨팅 개 발은 소재, 공정, 전자기 신호 처리 및 제어, 광학 회로설계 및 구성과 같이 다양한 분야의 기술들이 접 목돼 있다.

마지막으로 리드버그(Rydberg) 기반의 양자컴퓨팅을 들 수 있다. 중성원자의 리드버그 원자 상태 (마이크로미터 크기의 원자 상태)를 이용해 기존 컴퓨터로는 불가능한 고난도 계산을 수행할 것으로 기 대된다

 

현재 초전도 양자컴퓨터를 개발하는 기업에서 채택한 큐비트 타입은 트랜스몬 큐비트(Transmon Qubit)로, 조셉슨 접합(Josephson Junction)의 에너지가 축전 에너지에 비해 50배 이상 크도록 설계돼 전하 잡음에 대한 민감도를 최소화한 큐비트 디자인이다.

 

초전도 양자컴퓨팅의 상용화를 위해선 지속적인 성능 향상이 필요하다. 이를 위한 가장 기본적인 방법은 초전도 큐비트 자체의 성능을 향상하는 것이며, 크게 두 가지 방향으로 나눌 수 있다. 첫 번째는 현시점 초전도 양자컴퓨팅의 대표적 큐비트 플랫폼인 트랜스몬 큐비트 자체의 성능 향상이고, 두 번째 는 트랜스몬 큐비트를 넘어선 신개념 큐비트의 개발이다.

초전도 큐비트의 대표적인 성능지표는 결맞음 시간(Coherence Time)이며, 이는 큐비트의 양자상 태가 잘 정의된 위상을 유지할 수 있는 시간을 뜻한다. 그렇기에 큐비트의 성능이 좋다는 것은 곧 결맞 음 시간이 길다는 것을 의미한다.

트랜스몬 큐비트의 결맞음 시간은 양자프로세서에 쓰이는 기판의 마이크로파 손실 특성, 초 전도 물질의 결정 구조 및 결함 특성, 조셉슨 접합 산화막의 화학적 조성 및 접합의 표면 성질 등과 밀 접한 연관이 있다.

질화티타늄(Titanium Nitride, TiN)은 트랜스몬 큐비트의 결맞음 시간을 획기적으로 늘려준 대표적인 물질이다. 질화티타늄은 반응 스퍼터링 (Reactive Sputtering) 공정을 이용해 티타늄을 질소와 반응시켜 증착할 수 있게 만들었다.

초전도 양자프로세서 제작에 사용되는 대표적인 초전도 물질은 니오븀(Niobium, Nb)으로, 알루 미늄과 비교해 높은 임계온도와 임계자기장 값을 갖고 있다. 또한 불소 기반 가스(SF6, C4F8 등)를 이용 해 쉽게 건식각 공정이 가능하다는 장점도 있다. 최근 니오븀 양자프로세서의 성능 향상을 위해 니오 븀-공기 접합, 니오븀-기판 접합, 니오븀-알루미늄 접합과 같은 소자 내 물질들이 형성하는 접합 면의 표면 특성을 분석하고, 표면에 존재하는 결함을 최소화하기 위한 연구들이 활발하게 진행 중이다.

초전도 양자컴퓨팅 분야에서 최근에 주목받기 시작한 대표적인 물질로 탄탈륨(Tantalum, Ta)을 들 수 있다. 2021년 프린스턴대학교가 발표한 연구에서는 탄탈륨을 이용해 최대 300 μs, 평균 230 μs의 T₁ 결맞음 시간을 기록했다고 보고된 바 있다.266) 이는 니오븀 기반 트랜스몬 큐비트와 비교 해 최대 10배에 달하는 큰 값이며, 최근 북경양자정보과학원이 제작한 탄탈륨 기반 트랜스몬 큐비트에 서 500 μs T₁ 결맞음 시간이 측정됨으로서 더 큰 신뢰를 얻고 있다.2