컴퓨팅

다이아몬드가 양자 컴퓨팅을 위한 향상된 큐비트를 열 수 있을까?

게시일 2024년 11월 13일

업데이트일 2026년 10월 13일

작성자

Jonathan Schramm

Securities.io를 Google의 선호 소스에 추가

다이아몬드를 양자 컴퓨팅에 활용하기

일반 컴퓨터의 비트는 0 또는 1로 표현됩니다. 양자 컴퓨터는 큐비트를 사용하며, 다음과 같은 양자역학적 성질을 계산에 활용합니다: 중첩 과 얽힘.

중첩 은 큐비트가 0과 1에 해당하는 상태의 선형결합으로 표현될 수 있다는 뜻입니다. 측정하면 하나의 결과가 나오므로 모든 가능한 값을 한꺼번에 읽을 수 있다는 의미는 아닙니다.
얽힘 은 여러 큐비트의 측정 결과 사이에 고전적으로 설명하기 어려운 상관관계가 생기는 현상입니다. 이를 이용해 정보를 빛보다 빠르게 보낼 수는 없습니다.

이러한 성질은 양자 처리 장치의 계산 방식에 활용됩니다. 특정 알고리즘과 문제에서는 고전적 계산보다 유리할 수 있지만, 모든 해답을 동시에 확인해 모든 문제를 빠르게 푸는 것은 아닙니다.

알라스테어 스테이시는 큐비트의 양자적 성질이 주변 환경을 정밀하게 측정하는 센서에도 유용하다고 설명합니다.

알라스테어 스테이시 — 프린스턴 플라스마 물리학 연구소(PPPL)의 수석 연구 물리학자이자 양자 재료·소자 연구 책임자.

큐비트는 환경의 영향을 받기 쉬우며, 상태를 제어하고 읽어내는 일도 어렵습니다.

다이아몬드는 이러한 양자 소자를 위한 재료 후보입니다. PPPL과 프린스턴대학교 연구진은 저온 다이아몬드 성장 과정을 분석하고 Diamond & Related Materials에 다음 연구를 발표했습니다. “저온 CVD에서 CH₃ 라디칼 및 C₂H₂ 분자의 효과: 표면 반응의 양자 화학 모델 및 다이아몬드 성장의 동역학 모델¹“.

다이아몬드 표면 처리와 질소-공공 중심 보존에 관한 별도의 연구도 발표되었습니다. PPPL, 프린스턴대학교와 호주 연구진이 참여한 논문의 제목은 “다이아몬드의 색상 중심을 보존하는 수소 종결 방법²“.

요구에 맞는 다이아몬드 성장

합성 다이아몬드에는 고온·고압법뿐 아니라 화학기상증착법도 사용됩니다. 모든 제조법에 고압이 필요한 것은 아닙니다. 실리콘 소자와 통합하려면 기존 소자에 손상을 주지 않는 낮은 온도의 성장 공정이 중요합니다.

연구진은 아세틸렌 등의 탄소 공급원과 플라스마 강화 화학기상증착 과정에서 일어나는 반응을 살펴봤습니다.

출처: PPPL

아세틸렌은 다이아몬드 성장뿐 아니라 그을음 생성에도 기여할 수 있습니다. 원치 않는 탄소가 쌓이면 광학·센서·반도체 응용에 문제가 됩니다.

온도와 수소의 역할

모델은 아세틸렌이 주로 다이아몬드 성장에 기여하는 조건과 그을음 생성에 기여하는 조건을 구분합니다. 임계온도는 아세틸렌과 원자 수소의 농도 등 여러 조건에 따라 달라집니다.

출처: Diamond & Related Materials

표면 부근의 원자 수소 농도도 중요합니다. 적절한 조건에서는 더 낮은 온도에서도 다이아몬드 성장을 촉진할 수 있습니다.

알렉산더 크라브리는 수소 해리와 탄화수소 반응, 표면으로의 원자 수소 공급이 성장 과정에서 중요하다고 설명합니다.

알렉산더 크라브리 — 프린스턴대학교 연구원.

이 연구는 저온 성장 공정을 이해하는 데 도움이 됩니다. 그러나 기존 실리콘 반도체 내부에 손상이나 그을음 없이 다이아몬드를 안정적으로 제조하는 상용 공정이 완성됐다는 뜻은 아닙니다.

양자 다이아몬드

순수한 탄소로 이루어진 다이아몬드도 광학과 열 관리 등에 활용할 수 있습니다. 특정 결함을 정밀하게 만든 다이아몬드는 양자 소자 연구에 쓰입니다.

질소-공공(NV) 중심은 탄소 원자 자리의 질소 원자와 그 옆의 빈 격자 자리로 이루어진 결함입니다. 모든 양자 다이아몬드가 같은 종류의 결함만 사용하는 것은 아닙니다.

NV 중심과 관련된 전자 스핀 등을 제어하면 큐비트나 센서로 활용할 수 있습니다. 다이아몬드 속 전자만 특별히 양자 법칙을 따르는 것은 아닙니다.

모든 전자는 양자역학의 법칙을 따릅니다. NV 중심은 특정 양자 상태를 비교적 잘 제어하고 측정할 수 있는 환경을 제공합니다.

알라스테어 스테이시 — PPPL 양자 재료·소자 연구 책임자.

다이아몬드 요리법 완성하기

플라스마를 이용한 다이아몬드 표면 처리는 조건에 민감합니다. 표면 반응을 이해하면 시행착오를 줄이고 재현성을 높일 수 있습니다.

표면에 균일한 수소 원자층을 형성하면 전기적 특성이나 추가 분자 결합을 조절할 수 있습니다. 다만 기존의 고온 수소 플라스마 처리는 NV 중심의 광학적 특성을 손상시킬 수 있습니다.

연구진은 광발광 분광법 등으로 수소 종결 처리 후 NV 중심의 특성이 얼마나 유지되는지 비교했습니다.

출처: Advanced Materials Interfaces

대체 방법 두 가지는 NV 특성 보존에 장점이 있었지만, 표면 품질과 공정 조건에 관한 한계도 있었습니다.

출처: Advanced Materials Interfaces

포밍 가스 열처리는 수소와 질소의 혼합 기체를 사용합니다. 결과는 온도와 기체 순도에 민감했으며, 미량의 산소도 영향을 미쳤습니다. 순수한 수소만 사용하는 방법이라는 뜻은 아닙니다.
저온 플라스마 종결 처리는 다이아몬드를 플라스마로 직접 가열하지 않는 방식입니다. NV 중심의 광발광은 유지됐지만, 형성된 수소층의 품질은 기존 고온 처리보다 낮았습니다.

대니얼 매클로스키는 표면 품질과 NV 특성 보존 사이의 균형이 중요하며, 특히 생체분자 감지에서는 표면 가까이의 NV 중심을 유지해야 한다고 설명합니다.

대니얼 매클로스키 —멜버른대학교 연구원.

이 결과들은 다음과 같은 연구 방향을 뒷받침합니다.

실리콘 제조 공정과 호환되는 저온 다이아몬드 성장 기술 개발.
NV 중심의 특성을 유지하면서 다이아몬드 표면의 수소층과 화학적 특성을 조절하는 기술 개발.

새로운 양자 컴퓨터

양자 컴퓨터에는 초전도 회로, 이온, 중성 원자, 광자, 반도체 스핀 등 다양한 방식이 있습니다. 모두 기존 반도체 제조법에서 직접 파생된 것은 아닙니다.

다이아몬드 결함 기반 소자는 상온 동작 가능성 때문에 연구되고 있습니다. 다만 냉각 요구가 줄어든다고 해서 대규모 범용 양자 컴퓨터의 실용화가 자동으로 해결되지는 않습니다.

SPINUS 프로젝트는 50개를 넘는 양자 단위의 시뮬레이터와 10개를 넘는 큐비트의 양자 컴퓨터 시연을 목표로 했습니다. 더 큰 시스템으로의 확장은 후속 목표이지 이미 달성된 결과가 아닙니다.

이런 기술은 장기적으로 재료·분자 모사나 특정 최적화 문제에 도움이 될 수 있지만, 실제 유용성은 하드웨어와 알고리즘의 성능에 달려 있습니다.

마르틴 코펜회퍼 – 프로젝트 조정 책임자 (SPINUS)

다이아몬드 외에도 새로운 재료와 소자 구조가 연구되고 있습니다. 예를 들어 질화알루미늄 기반 압전 나노기계 공진기는 양자 센서나 양자 변환기 연구에 활용될 수 있습니다.

다양한 재료는 양자 기술의 선택지를 넓힙니다. 그러나 모든 응용에서 실리콘을 대체하거나 성능을 보장하는 것은 아닙니다.

양자 컴퓨팅에 투자하기

양자 컴퓨팅은 발전 중인 분야이며, 주요 컴퓨팅 기업과 전문 개발사들이 참여하고 있습니다.

고전 컴퓨터를 모두 대체하기보다는 특정 모사·최적화·암호 관련 계산에 쓰일 가능성이 있습니다. 실제 활용 범위는 기술 발전에 달려 있습니다.

양자 기술 관련 기업에 투자할 수 있는 증권사는 다양합니다. 여기 securities.io에서는 다음 국가 등의 증권사 비교를 확인할 수 있습니다. 미국, 캐나다, 호주, 영국, 및 기타 여러 국가.

개별 기업 대신 테마 ETF를 살펴볼 수도 있습니다. 예를 들어 ProShares Nanotechnology ETF (TINY) 또는 WisdomTree Cloud Computing Fund (WCLD) 등이 있습니다. 나노기술·클라우드 컴퓨팅 펀드는 순수한 양자 컴퓨팅 펀드와 다르므로 실제 보유 종목과 투자 목적을 확인해야 합니다. 분산투자가 수익을 보장하지는 않습니다.

양자 컴퓨팅 기업

IBM 가격 차트

IBM (IBM )은 메인프레임 컴퓨터의 상용화와 보급에 중요한 역할을 했습니다.

IBM, Apple (AAPL ), TSMC (TSM ), NVIDIA (NVDA )는 사업 구조가 서로 다릅니다. 단순 생산량만으로 기술 경쟁력을 비교하기는 어렵습니다.

IBM은 양자 컴퓨팅을 개발하는 주요 기업입니다. 127큐비트 Eagle에 이어 433큐비트 Osprey를 발표했습니다.

이후에는 1,121개의 초전도 큐비트를 갖춘 Condor 와 별도 계열의 Heron을 발표했습니다. 물리 큐비트 수가 많다는 사실만으로 오류 정정 능력이나 유용한 계산 성능이 결정되지는 않습니다.

양자 상태의 안정성과 제어 정확도를 높이는 일은 중요합니다. 어떤 제어 방식이 적합한지는 큐비트 구조에 따라 달라집니다.

초전도 양자 소자는 극저온 환경을 필요로 합니다. 여기서 소개한 다이아몬드 연구가 IBM의 냉각이나 초전도 재료 문제를 해결했다는 뜻은 아닙니다.

IBM은 양자 컴퓨팅 외에도 다양한 컴퓨팅·재료 기술을 연구하고 있습니다. 여기에는 전도성 유기 재료, 뉴로모픽 컴퓨팅, 광자 소자등이 포함됩니다.

IBM은 연구 결과의 사업화와 지식재산 라이선스에도 참여하지만, 특허만 보유하는 회사로 단정할 수는 없습니다.

여러 차세대 기술을 연구한다는 사실은 해당 분야의 독점이나 미래 수익을 보장하지 않습니다.

연구 참고:

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, I. D., Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). 저온 CVD에서 CH₃ 라디칼 및 C₂H₂ 분자의 효과: 표면 반응의 양자 화학 모델 및 다이아몬드 성장의 동역학 모델. 다이아몬드 및 관련 재료, 149, 111577. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111577}

^{2. McCloskey, D. J., Roberts, D., Rodgers, L. V. H., 외. (2024). 다이아몬드의 색 중심을 보존하는 수소 종결 방법. Advanced Materials Interfaces, 11(24), 2400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}