알토, 초전도 양자 열기관 세계 최초 구현

알토대학교 연구진이 초전도 회로 내부에 세계 최초의 순환식 양자 열기관을 구현했다고 2026년 8월 14일 네이처 커뮤니케이션즈에 발표했다. 이 장치는 절대온도 부근에서 작동하며, 미세한 열을 변환해 반복적으로 양의 일을 생성했다. 이는 초전도 열기관의 개념 증명으로, 향후 양자 컴퓨팅 기술을 개선할 수 있을 것으로 기대된다.

이 열기관은 트랜스몬 큐비트, 공진기, 양자 냉장고를 결합한 것으로, 모두 초전도 회로 내에 나노 제작되었다. 아카데미 교수 미코 뫼토넨이 이끄는 연구팀은 양자 냉장고를 사용해 큐비트를 필요에 따라 가열하고 냉각시켰으며, 정밀하게 제어된 펄스를 통해 오토 사이클(자동차 엔진과 동일한 열역학적 과정)을 구동했다. 측정 결과, 사이클 동안 큐비트를 통과하는 열이 양의 일을 생성하는 것으로 확인되었다.

이 실험은 양자 역학과 열역학을 연결하여, 터널링, 얽힘, 중첩과 같은 양자 효과가 존재할 때 친숙한 열역학적 과정이 어떻게 작동하는지 보여준다. 제1저자 투오마스 우스낙키에 따르면, 단일 제어 가능한 양자 냉장고를 고온 및 저온 환경으로 모두 사용함으로써, 별도의 고온·저온 저장소에 의존하는 기존 열기관보다 시스템이 더 간단하고 다재다능해졌다.

연구진은 현재 설계를 개선하고 완전 자율 열기관을 개발하는 작업을 진행 중이다. 잠재적 응용 분야 중 하나는 밀리켈빈 온도에서 실온까지 마이크로파 펄스를 전달하지 않고 큐비트를 읽어내는 것이다. 뫼토넨은 핀란드의 양자 기술 전략이 2035년까지 1,000개의 논리 큐비트를 가진 양자 컴퓨터를 구상하고 있으며, 이를 위해서는 수십만 개의 물리 큐비트와 수백만 개의 마이크로파 케이블이 필요할 수 있다고 언급했다. 각 케이블은 수천 유로에 달한다. 초전도 회로에 통합된 자율 장치는 비용과 복잡성을 줄이고 케이블로 인한 노이즈를 크게 제거할 수 있다.

이 실험은 핀란드의 나노·마이크로·양자 기술 국가 연구 인프라인 오타나노(OtaNano)를 사용하여 수행되었다. 자금은 핀란드 연구위원회와 핀란드 문화 재단에서 지원받았다.