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- 양자 오토 사이클은 원자와 이온에서 이미 효율적이고 제어 가능한 것으로 입증돼
- 초전도 큐비트와 그 주변은 거의 절대 영도까지 냉각
- 시스템에 투입된 일이 시스템 자체가 한 일보다 작기 때문에 양의 전력 출력이 발생

초전도 큐비트를 위한 최초의 열기관

내연기관, 증기기관, 발전소 터빈 등 모든 열기관은 열의 흐름을 기계적 일과 유용한 에너지로 변환한다. 예를 들어 내연기관에서는 연소된 연료의 열팽창이 피스톤을 구동하고, 증기기관에서는 증기가 그 역할을 한다. 스털링 엔진*에서는 작동 가스가 외부 열원의 온도 차이에 의해 팽창과 수축을 반복한다. 

*스털링엔진: 열기관(heat engine)의 한 종류로서, 공기 등 기체 형태의 작동 유체(working fluid)에 열을 가하여 반복적으로 압축하고 팽창시키면서 기계적인 일을 함. 1816년 스코틀랜드의 목사인 스털링(R. Stirling, 1790-1878)이 개발했다.

▲ 물리학자들이 초전도 트랜스몬 큐비트를 위한 최초의 양자 열 엔진을 개발했다. · 사진: © Heikka Valja / Aalto University

양자 규모의 열기관

그렇다면 나노 규모에서는 어떤 모습일까? 최근 물리학자들은 원자 오토 사이클과 같은 양자 시스템에 열기관을 통합하는 데 성공했다. 이 사이클에서는 극저온의 루비듐 원자를 번갈아 냉각하고 가열하여 스핀을 반전시킨다. 이러한 양자 오토 사이클은 원자와 이온에서 이미 효율적이고 제어 가능한 것으로 입증되었다.

하지만 가장 일반적인 형태의 양자 시스템인 초전도 양자 회로에서는 아직까지 열기관을 실험적으로 구현하지 못했다. 이것들은 현재까지 사용되는 대부분의 양자 컴퓨터의 기반을 형성한다. 이러한 컴퓨터에서 초전도 양자비트, 즉 트랜스몬 큐비트가 처리 장치로 작동한다. 구글, IBM, 마이크로소프트의 양자 컴퓨터는 이 기술을 기반으로 한다.

양자 냉장고를 열 저장소로 사용

이제 물리학자들은 처음으로 양자 열기관을 초전도 양자 회로에 통합하는 데 성공했다. 핀란드 알토 대학교의 주 저자인 투오마스 우스나키(Tuomas Uusnäkki)는 "우리 양자 열기관의 핵심은 현대 양자 기술의 기본 구성 요소 중 하나인 트랜스몬 큐비트다"고 밝혔다. 초전도 큐비트와 그 주변은 거의 절대 영도까지 냉각된다.

이 큐비트는 특수 "양자 냉장고"와의 접촉을 통해 번갈아 가열 및 냉각된다. 공진기와 연결된 이 초전도 회로는 전류를 인가하여 제어할 수 있다. 인가전압에 따라 준입자가 회로를 통과할 수 있는지가 결정된다. "우리는 이 두 가지 방식을 사용하여 트랜스몬을 고온 또는 저온의 열역학적 상태로 만든다"고 물리학자들은 설명했다. 이를 통해 양자 냉장고는 열기관의 외부 열 저장소 역할을 할 수 있다.

양의 전력 출력을 갖는 오토 사이클

이 실험에서 우스나키와 그의 연구팀은 냉각과 가열의 교류 펄스를 사용하여 양자 열기관을 시동했다. "이를 통해 열기관을 오토 사이클로 작동시킬 수 있었다"고 우스나키는 말했다. 수행된 일은 트랜스몬의 진동 주파수와 시스템의 자기장을 통해 결정할 수 있다.

"펄스는 큐비트 회로의 유도 에너지를 변화시킨다. 결과적으로 이 에너지 흐름에 의해 생성된 자기장은 시스템에 일을 하고, 시스템은 다시 자기장에 일을 한다"고 물리학자들은 설명했다. 핵심은 "시스템에 투입된 일이 시스템 자체가 한 일보다 작기 때문에 양의 전력 출력이 발생한다"는 것이다. “이 출력은 오토 사이클 효율의 25% 이상에 해당한다.”

양자 컴퓨터 확장에 도움

“이것은 초전도 양자 회로에서 순환 열기관을 실험적으로 구현한 최초의 사례다”고 우스나키 는 말했다. 이는 양자 컴퓨터 및 기타 양자 기술을 이전보다 훨씬 효율적으로 열적으로 제어할 수 있는 새로운 가능성을 열어줄 수 있다. 특히 실용적인 응용 프로그램을 위해서는 양자 컴퓨터의 큐비트 수가 크게 증가해야 하므로, 이러한 가능성은 매우 중요할 것이다.

“현재 기술로 이러한 확장을 시도하려면 수백만 개의 마이크로파 도체가 필요하며, 각 도체의 가격은 수천 유로에 달한다”고 알토 대학교의 수석 저자인 미코 뫼토넨 교수(Mikko Möttönen)는 설명했다. 하지만 양자 냉장고 기반의 양자 열기관을 사용하여 큐비트를 열적으로 제어한다면, 이러한 배선 작업이 훨씬 간소화될 것이다.

출처: 투오마스 우스나키(알토 대학교) 외, 네이처 커뮤니케이션즈, 2026; doi: 10.1038/s41467-026-72651-x

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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