이은호 교수 연구팀, 양자컴퓨터 스케일업을 위한 첨단 패키징 기반 다중물리해석 모델 제안 및 수학적 검증

▲ (왼쪽부터) 오성현 박사, 정연욱 교수, 이은호 교수

기계공학부 이은호 교수와 오성현 박사(기계공학과 박사 졸업, 현 KRISS 박사후 연구원)는 양자정보공학과 정연욱 교수와 협업하여, 초전도 양자컴퓨터에서 발생하는 에너지 손실을 연속체 기반으로 해석할 수 있는 새로운 모델링 프레임워크를 제안하였다. 이번 연구는 초전도 양자회로 내부의 다양한 손실 메커니즘을 하나의 열역학적 체계 안에서 통합적으로 설명함으로써, 양자 정보 수명 향상과 고성능 양자 프로세서 설계 가능성을 제시했다.

최근 양자 기술 분야가 차세대 컴퓨팅 기술로 주목받고 있으며, 그중 초전도 양자컴퓨터는 빠른 연산 속도와 높은 집적 가능성으로 활발히 연구되고 있다. 하지만 실제 양자컴퓨터 구현을 위해서는 양자 정보가 오랫동안 안정적으로 유지되어야 하며, 이를 위해 초전도 양자회로 내부에서 발생하는 에너지 손실 원인을 정확히 이해하는 것이 매우 중요하다. 이러한 손실은 양자 정보의 수명을 단축시키고, 결과적으로 양자컴퓨터의 계산 정확도를 저하시킬 수 있다. 특히 초전도 큐비트는 조셉슨 접합, 공진기, 커패시터, 배선 등 다양한 구성 요소가 결합된 복잡한 구조로 이루어져 있어, 각각의 손실 원인을 하나의 관점에서 체계적으로 설명할 수 있는 공학적 접근이 요구된다.

▲ 좌측 초전도 양자 회로의 에너지 손실 원인, 우측 양자 정보 수명 변화

연구팀은 첨단 반도체 패키징 설계에 활용되는 다중물리해석 모델을 확장하여, 초전도 큐비트에서 발생하는 양자적 에너지 손실 현상을 재료·전자기장·기계적 변형이 결합된 고전적 공학 시스템 관점에서 해석하고 이를 연속체 기반 수식 체계로 재구성하였다. 특히 유전 손실, 표면 저항 손실, 기계적 손실, 자기 손실 등 초전도 양자회로에서 발생할 수 있는 주요 손실 원인을 하나의 열역학적 틀 안에서 설명하였다. 이를 통해 각 손실이 양자 정보 수명인 에너지 완화 시간에 미치는 영향을 계산할 수 있도록 했으며, 다양한 큐비트 소재와 아키텍처에 적용 가능한 범용성도 확보하였다. 또한 기존 실험 결과와 잘 부합하는 결과를 확인하며 모델의 신뢰성을 입증하였다.

본 연구는 양자정보연구지원센터(2021M3H3A103657313)의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 interdisciplinary mathematics 분야 상위 5.5% 학술지인 Applied Mathematical Modelling에 게재되었다. 연구팀은 이번 연구를 통해 모델 framework의 수학적 엄밀성을 검증받았으며, 향후 양자컴퓨터 패키징용 고신뢰 솔더 복합소재 개발과 다중 큐비트 및 3차원 초전도 큐비트 패키징 해석으로 연구 범위를 확장할 계획이다. 이를 통해 초전도 양자컴퓨터의 양자 정보 수명을 향상시키고, 고성능 양자 프로세서 설계에 활용 가능한 공학 기반 설계 플랫폼으로 발전시킬 예정이다.