초전도 큐비트란? IBM·Google 양자컴퓨터의 동작 원리

IBM과 Google 등이 사용하는 초전도 양자컴퓨터가 어떻게 동작하는지 Josephson Junction, Transmon, Microwave control, Readout resonator를 중심으로 쉽게 설명합니다.

현재 양자컴퓨터에서 가장 널리 알려진 하드웨어 방식 중 하나가 초전도 큐비트입니다.

IBM과 Google의 양자 프로세서를 보면 매우 낮은 온도에서 동작하는 금속 구조물과 칩을 볼 수 있습니다.

그렇다면 일반 반도체 칩과 무엇이 다른 것일까요?

핵심은 Josephson Junction

초전도 큐비트를 이해하는 가장 중요한 부품이 Josephson Junction입니다.

두 초전도체 사이에 매우 얇은 절연층을 만든 구조입니다.

Josephson Junction의 비선형적인 특성을 이용하면 전기회로의 특정 에너지 상태를 분리해 두 상태를 |0〉과 |1〉로 사용할 수 있습니다.

대표적인 구조가 Transmon Qubit입니다.

왜 Transmon을 사용할까?

단순한 초전도 charge qubit은 전하 잡음에 민감할 수 있습니다.

Transmon은 Josephson energy와 charging energy의 비율을 조절해 전하 잡음에 대한 민감도를 낮추도록 설계된 구조입니다.

현재 여러 초전도 양자 프로세서에서 널리 사용되는 이유입니다.

초전도 양자컴퓨터의 전체 구조

Host Computer
↓
Quantum Compiler
↓
Control Electronics
↓
Microwave Pulse
↓
Qubit
↓
Readout Resonator
↓
Amplifier / ADC
↓
Classical Processing

양자컴퓨터가 QPU만으로 이루어지는 것이 아니라는 것을 보여주는 구조입니다.

큐비트는 어떻게 제어할까?

초전도 큐비트는 Microwave pulse를 이용해 제어합니다.

Pulse의 주파수, 크기, 위상, 지속시간 등을 정밀하게 조절하면 X, Y 계열의 회전 operation을 구현할 수 있습니다.

두 큐비트 사이의 결합을 이용하면 entangling gate도 구현할 수 있습니다.

결국 소프트웨어상의 X, H, CNOT 같은 gate가 실제 하드웨어에서는 정밀한 pulse sequence로 변환되는 것입니다.

측정은 어떻게 할까?

큐비트를 직접 전압계로 측정하는 방식은 사용하지 않습니다.

보통 큐비트와 결합된 microwave resonator의 특성이 큐비트 상태에 따라 달라지는 현상을 이용합니다.

Readout 신호를 resonator에 보내고 돌아오는 microwave의 amplitude와 phase를 측정해 큐비트 상태를 추정합니다.

왜 극저온이 필요한가?

초전도 큐비트의 에너지 차이는 매우 작기 때문에 thermal excitation을 최소화해야 합니다.

그래서 dilution refrigerator를 사용해 칩을 매우 낮은 온도로 냉각합니다.

이 때문에 실제 양자컴퓨터 시스템에는 QPU뿐 아니라 대형 cryogenic system이 필요합니다.

초전도 방식의 장점과 한계

빠른 gate operation	극저온 시스템 필요
반도체 공정 활용 가능	배선 복잡도 증가
전기적 제어에 적합	crosstalk
빠른 반복 실험 가능	calibration 복잡성

따라서 큐비트를 단순히 많이 넣는 것만으로는 충분하지 않습니다.

Qubit 품질, coupling, control electronics, cryogenic wiring, readout, calibration을 모두 함께 확장해야 합니다.

이런 이유로 양자컴퓨터는 하나의 칩 기술이라기보다 시스템 엔지니어링 기술에 더 가깝습니다.

관련 글

2026.09.23 - [양자컴퓨터입문] - 양자컴퓨터란? 큐비트부터 오류정정까지 한 번에 이해하기

양자컴퓨터란? 큐비트부터 오류정정까지 한 번에 이해하기

 

초전도 vs 이온트랩: 최종 승자 논쟁

 

양자 이온트랩(Ion Trap)이란 : 아이온큐 ✅