[Report] 양자 기술 상용화를 위한 핵심 반도체 및 소재 개발 전략

서론

양자 기술은 기존의 디지털 컴퓨팅 패러다임을 획기적으로 전환할 수 있는 차세대 기술로 주목받고 있으며, 특히 양자컴퓨터, 양자 센서, 양자 통신 등 다양한 분야에서 응용 가능성이 현실화되고 있습니다. 양자 시스템의 구현은 이론적 알고리즘이나 소프트웨어만으로는 불가능하며, 무엇보다도 큐비트 구현과 제어를 위한 하드웨어 기반 기술, 특히 반도체 및 소재 기술의 혁신이 핵심 요소로 작용합니다.

양자 기술은 극미세한 양자 상태의 제어와 측정을 필요로 하므로, 기존 반도체 공정과는 완전히 다른 요구조건을 만족해야 합니다. 예컨대, 큐비트 구현을 위한 고품질 이종접합 반도체, 양자점, 초전도 금속, 고체결함계 소재 등의 정밀한 제어가 필수적이며, 극저온 환경에서 안정적으로 작동할 수 있는 패키징 기술까지 통합적으로 개발되어야 합니다. 본 보고서에서는 양자 기술 상용화를 위해 반드시 필요한 6대 반도체 및 소재 기술을 중심으로 기술 동향과 핵심 과제를 정리하고, 향후 전략적 개발 방향을 제시하고자 합니다.

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1. 초전도 반도체 소재 개발: 큐비트의 근간을 이루는 초전도 회로

초전도 큐비트는 현재 가장 널리 상용화되고 있는 양자컴퓨터 구현 방식 중 하나로, Josephson junction 구조를 이용하여 2레벨 양자 상태를 구현합니다. 이를 위해서는 초전도 상태를 안정적으로 유지할 수 있는 금속 박막 소재가 필수적입니다. 대표적으로 알루미늄(Al), 나이오븀(Nb), NbTi, NbN 등이 사용되며, 이들은 절대온도 수십 mK 수준에서도 전기저항이 0에 가까운 초전도 상태를 유지합니다.

초전도 금속 소재의 핵심 기술은 박막 증착의 정밀성 확보입니다. 결함 없이 균일하게 증착된 박막이 아니면 양자 코히런스 시간이 크게 감소하며, 회로 동작의 안정성이 저하됩니다. 또한, 초저온에서도 화학적 안정성과 계면 안정성, 그리고 소재 간 확산 방지가 필요합니다. 이에 따라 초고진공 증착, 원자층 증착(ALD), 저온 열처리 등 정밀 공정 기술과 소재 간 계면 엔지니어링 기술이 동반되어야 합니다.

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2. 스핀 큐비트용 반도체 이종접합 소재: 전자 스핀을 정밀 제어하는 플랫폼

스핀 큐비트는 전자의 스핀 상태를 이용해 양자 정보를 저장하고 제어하는 방식으로, 실리콘(Si) 기반의 양자컴퓨터 구현에 특히 유리한 구조입니다. 이 방식은 기존 CMOS 기술과의 호환성을 확보할 수 있어 상용화 가능성이 매우 높습니다. 그러나 고신뢰성 스핀 큐비트를 구현하기 위해서는 고품질의 이종접합 반도체 구조가 필요합니다.

대표적인 이종접합 구조는 Si/SiGe 및 GaAs/AlGaAs 등으로, 이들은 매우 얇은 양자우물을 형성해 전자 스핀을 2차원 공간에서 정밀하게 제어할 수 있도록 해줍니다. 이 때 가장 중요한 기술 요소는 결함이 없는 에피택시 성장, 즉 결정면의 불연속이나 격자 결함 없이 두 소재를 정밀하게 접합하는 기술입니다. 이를 위해 분자빔 에피택시(MBE), 금속유기화학기상증착(MOCVD) 등 고순도 증착 기술이 활용됩니다.

또한 전자 이동도 제어, 계면 결함 밀도 최소화, 전기장 제어 응답성 개선 등 다양한 측면에서 소재 구조 최적화가 필요하며, 전자 스핀 디코히런스를 유발할 수 있는 핵스핀 잡음을 줄이기 위한 동위원소 제어 기술도 점점 중요해지고 있습니다.

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3. 양자점 기반 반도체 나노소재: 정밀한 전자 구속과 광자 방출 제어

양자점(Quantum Dot)은 수 나노미터 크기의 반도체 입자로, 전자의 양자 상태를 3차원적으로 가둬주는 효과를 가지고 있어 큐비트 또는 광 큐비트 소자로 사용될 수 있습니다. 특히 단일 전자 혹은 단일 광자를 제어할 수 있는 성능 덕분에 양자컴퓨팅 뿐 아니라 양자통신, 양자암호에까지 응용 가능성이 큽니다.

대표 소재로는 InAs, CdSe, PbS 등이 있으며, 콜로이드형 양자점 또는 에피택시 기반 양자점 형태로 구현됩니다. 양자점의 성능을 좌우하는 요소는 크기의 정밀 제어, 분포의 균일성, 표면 결함 최소화입니다. 크기가 수 나노미터만 달라져도 에너지 준위가 크게 변하기 때문에, 합성 공정의 정밀성이 매우 중요합니다.

특히 콜로이드형 양자점은 용액 공정 기반으로 저비용 대량 생산이 가능하나, 표면 결함이 많은 편이며, 에피택시형은 결정성이 뛰어나나 제조가 복잡합니다. 이에 따라 최근에는 표면 리간드 제어, 양자점 내외부의 계면 엔지니어링, 패시베이션 기술 등을 통해 양자 효율을 높이고 있습니다.

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4. 다이아몬드 및 고체결함계 큐비트 소재: 고체 내 결함을 이용한 양자 센싱과 통신

양자센싱이나 양자통신 분야에서 주목받는 기술 중 하나는 고체 내 결함을 이용한 큐비트 구현입니다. 대표적으로 다이아몬드 내 **질소-공석 결함(NV center)**은 전자 스핀 상태를 정밀하게 제어할 수 있으며, 외부 자기장, 전기장, 온도 등의 변화에 민감하게 반응합니다. 이로 인해 매우 정밀한 센서 또는 분산형 큐비트로 활용될 수 있습니다.

이러한 결함계 큐비트의 구현을 위해서는 결함 중심의 정밀 도핑 기술, 높은 결정성의 다이아몬드 또는 SiC 결정 성장, 그리고 광자와 스핀의 결합 효율 향상이 필수적입니다. CVD 기반 다이아몬드 성장 공정에서 도핑 농도와 위치를 원자 수준에서 제어해야 하며, 스핀 상태를 광적으로 읽어내기 위해 광-스핀 인터페이스 최적화 기술도 함께 개발되어야 합니다.

최근에는 다이아몬드 외에도 **탄화규소(SiC)**를 기반으로 한 결함 큐비트도 연구되고 있으며, CMOS 공정 호환성이나 대면적 확장성 측면에서 유리하다는 평가를 받고 있습니다.

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5. 토폴로지 절연체 기반 반도체: 오류에 강한 마요라나 기반 양자비트

양자컴퓨팅의 가장 큰 기술적 난제 중 하나는 오류율입니다. 이를 극복하기 위한 방안으로 제안된 것이 바로 토폴로지 큐비트이며, 이는 고유한 위상적 성질을 가진 준입자인 **마요라나 페르미온(Majorana fermion)**을 기반으로 구현됩니다.

토폴로지 큐비트는 주변 환경의 작은 잡음에 영향을 받지 않고, 양자 상태를 보다 안정적으로 유지할 수 있다는 장점이 있습니다. 이를 구현하기 위한 핵심 소재는 Bi₂Se₃, Bi₂Te₃와 같은 토폴로지 절연체와 InAs-Al 하이브리드 구조입니다. 이러한 구조는 일반적으로 초전도체와 반도체 간 계면에서 마요라나 상태를 유도하며, 매우 정밀한 계면 제어가 요구됩니다.

계면의 청정도, 격자 일치, 에너지 띠 구조의 정렬 등이 중요하며, 특히 양자역학적 스핀-궤도 결합 효과가 크게 작용하는 소재일수록 마요라나 상태 형성 가능성이 높습니다. 이 기술은 아직 초기 단계지만, 향후 고신뢰 양자컴퓨터 구현을 위한 핵심 후보로 주목받고 있습니다.

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6. 극저온 환경에 적합한 양자 칩 패키징 신소재

양자칩의 동작 환경은 대부분 수 mK의 극저온이며, 이러한 환경에서 시스템의 신뢰성을 확보하려면 패키징 구조와 소재가 매우 중요한 역할을 합니다. 기존 반도체 패키징은 상온 또는 고온 환경에 최적화되어 있어, 극저온에서는 열팽창 계수 차이, 계면 박리, 전기적 불안정성 등의 문제가 발생할 수 있습니다.

이에 따라 극저온에서 안정적인 절연체, 금속 인터커넥트, 접착제가 필요하며, 소재의 열적·기계적·전기적 특성이 모두 고려되어야 합니다. 대표적으로 금(Au), 인듐(In), 알루미늄(Al) 등이 사용되며, 절연체로는 고순도 실리카, 알루미나, 개질 폴리이미드가 주로 연구되고 있습니다.

특히 다층 기판 기술, 광전 인터페이스 기술, 극저온 신뢰성 평가 기술 등이 함께 발전해야 하며, 장기 운용 시에도 균열, 탈착, 전기저항 변화 등이 없는 안정된 시스템을 구현해야 합니다.

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결론

양자 기술은 하드웨어적 기반 없이는 실현될 수 없는 영역이며, 이를 위해 반도체 및 소재의 근본적인 혁신이 요구됩니다. 초전도 금속, 스핀 기반 이종접합, 양자점, 고체결함계, 토폴로지 절연체, 극저온 패키징 등 각 분야의 소재 기술은 단독으로도 고난도의 과제를 안고 있지만, 동시에 상호 연계되어 통합 시스템을 구성해야 합니다.

국가적 차원의 전략적 투자와 더불어 소재-공정-시스템 간 융합적 연구개발이 필요하며, 장기적으로는 신소재 개발과 함께 표준화, 신뢰성 평가 체계, 양산 기반 기술 확보가 병행되어야 합니다. 양자 시대를 앞당기기 위한 열쇠는, 단순한 이론이 아니라 바로 소재에서 출발하는 정밀한 기술 혁신입니다.