양자 냉장고의 비밀: 미국을 뛰어넘은 중국의 냉각 기술

여러분, 목이 아직 완전히 나지 않아 목소리가 좀 쉰 편이지만, 그래도 오늘 최근 뉴스 한 가지를 이야기하는 데는 지장이 없을 것 같습니다. 중국이 세계에서 가장 차가운 합금을 만들어 냈다고 하는데, 이 소식에 미국 국방고등연구계획국(DARPA)도 깜짝 놀랐다고 합니다. 이 물건이 도대체 뭐가 그렇게 대단한 걸까요? 일단 정리해 봅시다. 알고 보니 이 소재는 양자 컴퓨팅을 위한 것이었습니다. 양자 컴퓨팅은 보안 분야에서 꽤 많은 활용 가능성이 있습니다. 양자 칩은 환경적 간섭에 특히 민감해서 절대 영도에 가까운 극저온에서 작동해야 하며, 조금만 더워도 작동하지 않습니다. 절대 영도는 -273.15℃인데, 우리가 현재 그 온도에 근접할 수 있는 것은 바로 ‘희석 냉각’이라는 방법에 의존하기 때문입니다. 하지만 이 방법은 장비가 거대하고 휴대하기 불편할 뿐만 아니라 가격도 엄청나게 비싸서, 금방 수천만 단위에 달한다. 게다가 희석 냉각은 주로 헬륨-3에 의존하는데, 이 물질은 희소하여 핵무기에서 추출해야 하며, 우리나라의 가공량이 전 세계 생산량의 압도적 다수를 차지하고 있다. DARPA는 1월 27일 차세대 양자 및 국방 기술 개발을 목적으로, 헬륨을 사용하지 않는 냉각 시스템에 대한 제안을 긴급히 모집하는 공고를 냈습니다. 이는 양자 컴퓨터 전용 소형 냉장고를 찾으려는 것으로 이해할 수 있습니다. 그러자 2월 11일, 중국 연구진이 이를 해냈습니다. 중국과학원(CAS)의 과학자들은 『네이처(Nature)』에 『금속 결합 자석의 거대 자기열 효과와 스핀 초고체』라는 제목의 논문을 발표했다. 간단히 말해, ‘단열 탈자 냉각’이라고 불리는 고체 냉각 방식을 사용했는데, 그 효과가 놀라웠다. ECA는 자성 희토류 합금으로, 저온 환경에 놓이고 자기장이 가해지면 합금 내부의 미세 자석들이 균일하게 배열되며 합금의 열을 방출합니다. 저온 환경에서 벗어나 자기장이 제거되면 내부 자석들은 무질서한 상태로 되돌아가며 열을 흡수해 온도를 낮춥니다. 기존의 자기 냉각 재료는 열전도율이 낮아, ECA 자체가 냉각되기는 하지만 주변 부품을 냉각하는 효과는 미미했다. 반면 ECA의 열전도율은 기존 재료보다 1~2개 수단위 높으며, 10⁶ 밀리켈빈의 저온을 달성해 금속 재료의 온도 기록을 경신하고, 오랫동안 존재해 온 열전도 병목 현상을 성공적으로 해결했다. 이에 비해 희석 냉각 방식은 단점이 많다. 장비가 크고, 사용이 불편하며, 가격이 비싸고, 헬륨-3가 희소하다. 반면 ECA 냉각 솔루션은 정반대로, 작고 안정적이며 휴대성이 뛰어나 양자 컴퓨터의 유연한 배치에 매우 중요합니다. 또한 저렴하여 양산이 가능하며, ECA는 중희토류로서 매장량이 풍부해 북부나 남부 등 어느 산지에서도 채굴 및 가공이 가능합니다. 게다가 국가 전략 자원으로서 우리가 주도권을 쥐고 있어 헬륨-3처럼 희소하지 않습니다. 더 자세히 알고 싶다면 중국과학원(CAS) 웹사이트를 확인해 보시기 바랍니다. ‘연구 진전’ 코너에 조용히 기록되어 있어 6페이지를 넘겨야 겨우 찾을 수 있었지만, 자세한 내용은 논문 링크에 모두 나와 있습니다. 그러니 여러분, 이 일은 꽤 흥미롭습니다. 겉보기에는 별것 아닌 것처럼 보이지만, 사실 강대국 간 과학기술 경쟁의 초점입니다. 그리고 우리 중국은 이번에 한 발 앞서 나갔습니다.