초유체 헬륨이 더 나은 양자 컴퓨터를 만드는 데 도움이 될 수 있을까?

양자 컴퓨팅은 하드웨어 문제를 안고 있다: 연구자들이 양자 정보를 제어할 수 있게 하는 동일한 상호작용이 정보를 방해할 수도 있다. 전기적 변동, 재료 결함, 그리고 원치 않는 에너지 교환이 계산이 끝나기 전에 오류를 일으킬 수 있다. 유용한 기계를 구축하려면 연약한 양자 상태에 접근하면서도 주변 환경으로부터 보호하는 균형이 필요하다.

Priya Sharma, Jens Koch, Eran Ginossar가 npj Quantum Information에 발표한 논문은 독특한 접근법을 제안한다: 초유체 헬륨-3의 움직임에 양자 정보를 저장하는 미세 장치.¹ 제안된 장치는 전류를 핵심 작동 메커니즘으로 사용하지 않고, 중성 유체 흐름과 유연한 기계 판을 결합한다.

이 접근법의 매력은 특정 전기적 잡음원에 대한 노출이 감소한다는 점이다. 그러나 이 잠재적 이점은 까다로운 냉각, 제조 및 제어 요구사항을 동반한다. 이 연구는 새로운 큐비트에 대한 이론적 경로를 제시하지만, 실험적 성능과 실용적 확장성은 아직 해결되지 않았다.

초유체 헬륨 큐비트가 작동하는 방식

헬륨-3은 매우 낮은 온도에서 초유체가 되어, 액체의 일부가 일반적인 점성 저항 없이 흐를 수 있게 한다. 그 집합적 거동은 초전도성과 중요한 특징을 공유하는데, 약한 연결을 통한 흐름을 양자 위상 차와 연결시키는 조셉슨 효과의 한 형태가 포함된다.

제안된 Superfluid Helium Oscillator Quantum 장치(줄여서 SHOQ)는 나노 규모의 구멍을 통해 주변 헬륨 저장소와 연결된 작은 셀을 포함한다. 탄성 판이 셀의 뚜껑을 형성한다. 헬륨이 구멍을 통과하면서 셀 내부의 압력 변화가 판을 움직인다.

액체와 판이 함께 진동자를 만든다. 적절한 조건 하에서 그 에너지는 양자화되어 임의의 에너지가 아니라 이산적인 에너지 준위를 차지한다. 그 중 두 개의 준위가 양자 비트를 인코딩하는 상태를 나타낼 수 있다.

하지만 이산적인 준위만으로는 충분하지 않다. 그 간격이 충분히 차별화되어 연구자들이 하나의 전이를 다루면서 다른 전이를 실수로 흥분시키지 않아야 한다. 이러한 불균등한 간격을 비조화성이라 하며, 진동자를 제어 가능한 큐비트로 만들기 위해 필수적이다. 저자들은 구멍 크기, 판 크기, 기계적 강성이 필요한 비선형성을 제공할 수 있음을 보여준다.

왜 전하 중성이 양자 컴퓨팅에 중요한가

초전도 큐비트에서는 양자 정보가 전기 회로 동작에 인코딩된다. SHOQ 제안은 대신 전기적으로 중성인 헬륨의 집합적 움직임을 이용한다. 저자들은 이 아키텍처에서는 전하와 플럭스 잡음이 덜 문제가 될 수 있다고 제안한다.

이 차별점은 잠재적으로 가치가 있지만, 잡음에 대한 면역을 보장하지는 않는다. 기계 부품, 구멍을 통한 에너지 누출, 그리고 장치를 작동시키는 장비가 정보가 손상되는 다른 경로를 제공한다.

더 넓은 교훈은 큐비트 물리학을 바꾸면 엔지니어링 문제도 바뀐다는 것이다. 한 플랫폼이 특정 취약점을 줄이는 동시에 다른 병목 현상을 만들 수 있다. Securities.io의 양자 하드웨어 아키텍처 비교는 경쟁 접근 방식이 왜 서로 다른 인프라와 제조 전략을 필요로 하는지에 대한 맥락을 제공한다.

전하 중성은 또한 신중한 해석이 필요하다. 이 제안은 개별적으로 가두어진 중성 원자가 아니라 액체 헬륨의 집합적 상태와 관련된다. 두 경우 모두 중성 물질을 다루지만, 메커니즘, 온도, 제어 요구사항은 크게 다르다.

헬륨 큐비트 계산이 보여주는 것

연구원들은 여섯 가지 예시 설계를 평가한다. 그들의 계산에 따르면, 모델링된 손실 메커니즘이 완성된 하드웨어를 충분히 설명한다는 가정 하에, 적절한 장치는 큐비트 작동을 지원할 만큼 충분히 오래 양자 정보를 유지할 수 있다.

아래 표는 논문에서 직접 발췌한 세 가지 설계를 비교한다. 수명 추정치는 단일 준입자 터널링에 의한 손실을 반영하며, 저자들은 이를 분석에서 지배적인 저온 손실 메커니즘으로 식별한다.

이는 측정된 코히런스 시간이 아니라 이론적 추정치입니다. 특히, 추정된 에너지 이완 수명은 큐비트가 위상 정보를 유지하는 기간에 대한 완전한 실험적 증명으로 간주해서는 안 됩니다.

저자들은 설계 #5가 특히 유망하다고 지적합니다. 그럼에도 불구하고, 수명만 길다고 해서 유용성이 보장되는 것은 아닙니다. 게이트 속도, 원치 않는 레벨로의 누설, 초기화, 측정 정확도, 그리고 장치 간 결합 모두가 플랫폼이 수행할 수 있는 신뢰할 수 있는 연산량에 영향을 미칩니다.

극저온이 핵심 엔지니어링 트레이드오프입니다

온도 의존성이 눈에 띕니다. 설계 #5의 경우, 온도를 0.4 밀리켈빈에서 0.3 밀리켈빈으로 낮추면 계산된 수명이 0.64 밀리초에서 25.96 밀리초로 증가하며, 약 40배가 됩니다.

이 온도는 절대 영도 위에 400 마이크로켈빈과 300 마이크로켈빈에 해당합니다. 논문은 이전 헬륨‑3 실험에서 약 0.4 밀리켈빈 온도가 달성되었다고 언급합니다. 이는 물리적 실현 가능성을 뒷받침하지만, 이러한 조건에서 제어된 양자 장치를 운영하는 일은 여전히 까다로운 과제입니다.

이는 장치 크기와 시스템 크기를 구분하는 유용한 차이를 만들어냅니다. 몇 마이크로미터 크기의 플레이트만을 가진 큐비트가 자동으로 소형 컴퓨터를 만든다는 보장은 없습니다. 주변의 냉각 장비, 연결부, 차폐, 측정 장치가 설치 규모를 좌우할 수 있습니다.

따라서 실용적인 평가는 전체 시스템이 냉각 부담과 운영 복잡성에 비해 얼마나 많은 신뢰할 수 있는 연산을 제공할 수 있는지를 묻게 됩니다. 전기적 잡음을 낮추기 위해 훨씬 더 어려운 냉각이 필요하다면, 그 이점은 인프라를 정당화할 만큼 충분히 커야 합니다.

온도는 초기화에도 영향을 미칩니다. 평가된 한 설계에 대해 논문은 0.3 밀리켈빈에서 첫 번째 여기 상태가 10.3%의 열 점유율을 가진다고 계산합니다. 따라서 장치를 단순히 냉각한다고 해서 모든 연산이 원하는 상태에서 시작된다는 보장은 없습니다.

중성 큐비트 제어에도 인터페이스가 필요합니다

보호된 양자 상태는 연구자가 이를 준비·조작·측정할 수 있을 때만 유용합니다. 논문은 SHOQ 장치, 초전도 트랜스몬 큐비트, 마이크로파 공동공진기를 포함하는 하이브리드 접근 방식을 제시합니다.

기계식 플레이트의 움직임이 전기 용량을 변화시켜 헬륨 진동자가 초전도 회로와 상호 작용하도록 합니다. 이 회로는 중성 유체의 움직임과 기존 전자 제어·측정 사이를 연결하는 역할을 할 수 있습니다.

이 구성은 두 번째 트레이드오프를 드러냅니다. 중앙의 정보 전달 메커니즘은 일부 전기적 취약성을 피할 수 있지만, 그 제어 인터페이스는 다시 전기 하드웨어와 연결됩니다. 따라서 결합 시스템의 성능은 고립된 헬륨 진동자만으로 추정하지 말고 실제로 측정해야 합니다.

논문은 상세한 게이트 구조와 작동을 향후 연구 과제로 남겨두었습니다. 중요한 실험적 이정표는 다음과 같습니다:

• 예측된 에너지 준위와 그 불균등한 간격을 확인한다.
• 신뢰할 수 있는 상태 준비, 제어 및 측정을 입증한다.
• 제조된 장치에서 이완 및 위상 코히런스를 측정한다.
• 다중 장치를 결합하면서 유용한 성능을 유지한다.

양자 제조는 투자 연결고리를 제공합니다

이러한 요구 사항은 연구를 기존 산업 과제인 섬세한 양자 장치의 일관된 제조와 연결합니다. 나노스케일 구멍이나 탄성 막은 제조·조립·냉각 후에도 예측 가능한 동작을 해야 합니다. 명목상 동일한 부품 간의 변동은 제어를 복잡하게 하고 수율을 낮출 수 있습니다.

이 기술에 관심 있는 투자자를 위해, 옥스포드 인스트루먼츠는 검토할 만한 관련 상장 회사를 제공합니다. 이 회사의 플라즈마 가공 장비는 정밀 식각 및 증착을 지원하며, 이미 양자 장치 제조에 사용되고 있는 도구들을 포함합니다.

2026년 5월, 옥스포드 인스트루먼츠는 Rigetti Computing (RGTI ) 과의 협력을 발표했습니다. Rigetti가 양자 장치를 위한 원자층 식각을 위해 PlasmaPro 100 Cobra 시스템을 구매했습니다. 이 발표는 손상도가 낮은 공정을 설명하며, Rigetti의 확대된 제조 역량을 지원하기 위한 것입니다.

또한, 5월 발표에서는 NYU Nanofab과의 원자 규모 제조 파트너십을 개시했습니다. 이와 같은 발전은 양자 연구·개발 전반에 걸친 제조 도구에 대한 수요를 보여줍니다.

이는 간접적인 투자 연결고리입니다. 헬륨 논문은 옥스포드 인스트루먼츠를 참여자로 명시하지 않으며, 그 장비가 SHOQ 장치를 제조한다는 근거도 제시하지 않습니다. 회사의 2026년 전체 실적은 또한 NanoScience 사업부를 매각했음을 확인하며, 이는 제조에 초점을 맞추고 이전의 저온 기술 포트폴리오보다 적합함을 의미합니다.

큐비트 제안에서 실용적인 양자 하드웨어로

헬륨 개념은 아직 초기 개발 단계에 있습니다. 그 계산 결과가 재현 가능한 측정값으로 입증되어야 기존 플랫폼과의 비교가 의미를 갖게 됩니다.

한편, 다른 아키텍처들은 고객 설치를 향해 진행 중이며, 이는 발표된 플로리다 국제 대학의 양자 컴퓨터 도입을 통해 확인할 수 있다. 그 성숙도 차이는 새로운 제안의 상업적 의미를 평가할 때 중요한 요소이다.

이 연구의 가치는 열어주는 대안에 있다: 전하 중성이며 응집 물질 시스템에 인코딩된 양자 정보. 궁극적인 성공은 그 물리적 이점이 완전한 기계의 냉각, 제조 및 제어 요구 사항을 견디는가에 달려 있다. 이러한 균형을 입증하는 것이 단순히 인상적인 수명 추정치보다 더 중대한 의미를 가진다.

참고 문헌:

¹ Sharma, P., Koch, J., & Ginossar, E. (2026). Towards a micromechanical qubit based on quantized oscillations in superfluid helium. npj Quantum Information. 온라인 사전 출판. https://doi.org/10.1038/s41534-026-01355-3