확장 가능한 실리콘 설계로 현실에 가까워지는 양자 칩

Diraq 연구원들은 상용화 가능한 고충실도 양자 비트를 대규모로 제조하는 방법을 공개했으며, 이는 컴퓨팅 분야에 혁신을 가져올 수 있습니다. 이 원리 증명은 수십 년 동안 사용되어 온 전통적인 제조 공정을 활용하여 신뢰성 높고 대규모이며 오류 허용이 가능한 양자 컴퓨터 칩을 제공하고 최대 충실도를 유지합니다. 알아야 할 내용은 다음과 같습니다.

저렴한 양자 컴퓨터에 대한 수요가 증가하고 있습니다

양자 컴퓨팅 서비스와 전문가에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 최근 보고서에 따르면, 기업들은 이미 지난해 양자 서비스에 23억 5천만 달러를 지출했습니다. 또한, 이 분야는 채용이 크게 늘었으며, LinkedIn 통계에 따르면 2020년에서 2024년 사이에 양자 전문가를 찾는 기업이 180% 증가했습니다.

양자 컴퓨팅 수요 증가에는 여러 이유가 있습니다. 그 중 하나는 군사 적용입니다. 전 세계적으로 군대는 경쟁 우위를 확보하기 위해 상당한 자금을 투자하고 있습니다.

양자 벤치마킹 이니셔티브

미국 방위고등연구계획국(DARPA)은 현재 양자 벤치마킹 이니셔티브를 주관하고 있습니다. 이 프로젝트의 목표는 현재 취약한 양자 상태를 가진 설계보다 양자 컴퓨팅 칩을 확장 가능하고 더 내구성 있게 만들 수 있는지를 판단하는 것입니다.

이 과제를 수행하기 위해 18개의 기업이 선정되어 양자 컴퓨팅 분야에서 유틸리티 규모를 달성하기 위해 경쟁하고 있습니다. 유틸리티 규모는 양자 컴퓨팅이 오늘날의 슈퍼컴퓨터를 훨씬 능가하는 문제를 해결할 수 있는 능력을 의미합니다.

이 작업은 높은 충실도 요구사항을 충족하기 위해 실시간 오류 수정을 필요로 합니다. 충실도는 칩의 정확성을 의미합니다. 엔지니어들은 취약한 양자 상태에서도 100개 이상의 큐비트를 신뢰성 있게 유지하면서 방대한 정보를 저장하고 접근할 수 있는 양자 칩을 만들어야 합니다.

실리콘 기반 양자 칩

양자 하드웨어를 만들기 위해 다양한 양자 칩 설계가 사용되어 왔습니다. 그러나 실리콘 기반 양자 칩의 도입은 큰 장점을 제공합니다.

첫째, 기존 칩을 위한 수십억 달러 규모의 인프라와 제조 전략을 활용할 수 있습니다. 또한, 하나의 칩에 수백만 개의 큐비트를 배치할 수 있습니다. 이러한 큐비트는 효율적인 양자 컴퓨팅을 제공하도록 정밀하게 배치됩니다.

다음 단계

실리콘 스핀-큐비트 기술이 제공하는 잠재력을 인식한 엔지니어들은 이러한 칩 설계를 향상시키는 방법을 모색했습니다. 그들의 연구에는 대규모 실험실 테스트가 포함되었으며, 실험실 결과는 정확함을 입증했습니다. 그러나 현재까지 전통적인 산업 규모 제조 방법을 사용해 동일한 수준의 정확도를 달성할 수 있는지에 대한 시도는 없었습니다.

출처 – Nature

이 작업을 수행하기 위해 엔지니어들은 여러 물질적 과제를 극복해야 합니다. 설계는 전하 잡음과 정적 무질서에 의해 발생하는 간섭을 고려해야 합니다. 이러한 문제는 실리콘 칩 설계에서 발견되는 인터페이스와 산화물의 결함 및 트랩 때문에 발생합니다.

대규모 양자 칩 제조 연구

최근 Industry-compatible silicon spin-qubit unit cells exceeding 99% fidelity¹ 연구가 9월 24일 Nature에 발표되었으며, 확장 가능한 양자 칩을 달성하는 데 중요한 지표에 대한 귀중한 통찰을 제공합니다.

It connects the dots between real-time monitoring capabilities and the ability to correct quantum errors. Specifically, pointing out correlations between electrical noise and Hall bar transport. As part of the work, Diraq designed a new chip design modeling software.

그들은 칩 제조 업체 imec와 협력했으며, imec가 장치의 최종 제조를 담당했습니다. 이후 팀은 실리콘 웨이퍼와 전통적인 CMOS 구조를 사용해 여러 설계를 만들었습니다.

표준 툴링

엔지니어들은 평면 금속-산화물-반도체와 폴리실리콘 게이트를 이용한 여러 2큐비트 장치를 선택했습니다. 이 장치들은 300mm 파운드리 환경에서 표준 반도체 툴링을 사용해 제작되었습니다. 구체적으로, 사용된 아키텍처는 이중 양자점과 단일 전자 트랜지스터(SET)를 포함했으며, 실시간 스핀 읽기를 제공했습니다.

특히, 장치의 플런저 게이트 전극 아래에 형성된 이중 점의 네 개 전자는 점들 사이의 터널 결합을 제어하고 잡음 분석을 가능하게 합니다. 이후 전체 유닛은 기본 온도 10 mK로 설정된 3He/4He 희석 냉각기에 격리 모드로 배치되었습니다.

새로운 양자 칩 설계 테스트

구축한 장치를 테스트하기 위해 팀은 UNSW 연구실에서 만든 여러 실험 조건에 장치를 노출시켰습니다. 첫 단계는 칩의 기본 큐비트 기능을 평가하는 것이었습니다. 이 테스트는 1큐비트 및 2큐비트 게이트를 모두 테스트하고 오류율을 기록했습니다.

특히, 팀은 최첨단 게이트 세트 토모그래피(GST) 도구를 활용해 실시간으로 양자 상태에 대한 귀중한 통찰을 얻었습니다. 이 접근법을 통해 크로스토크와 확률적 오류와 일관성 오류 사이의 구분과 같은 간섭 요인을 파악할 수 있었습니다.

네 가지 설계를 문서화한 후, 추가로 16개의 옵션에 대해 저온 탐침 측정을 수행했습니다. 각 칩은 약간씩 다른 형태와 아키텍처를 가지고 있어, 설계가 장치 게이트 전극에 대한 균일한 정전기 제어를 어떻게 제공하는지에 대한 통찰을 얻을 수 있었습니다.

대규모 양자 칩 제조 연구 테스트 결과

테스트 결과는 개념이 성공적임을 보여주었습니다. 팀은 전통적인 반도체 파운드리를 이용해 300mm 웨이퍼상의 큐비트가 높은 성능을 발휘함을 입증했습니다. 데이터는 칩이 예측대로 정확히 작동했음을 시사합니다. 단일 및 2큐비트 제어 환경 모두에서 네 개 장치 모두 99% 이상의 정확도를 초과했습니다.

이 테스트 결과는 Diraq의 실리콘 양자 칩이 전통적인 CMOS 전략을 사용해 성공적으로 대량 생산될 수 있음을 나타냅니다. 이 발견은 차세대 양자 컴퓨팅 장치의 대규모 생산에 길을 열어줍니다.

대규모 양자 칩 제조 연구의 이점

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이 연구가 산업에 제공하는 이점은 많습니다. 첫째, 대규모 양자 컴퓨팅 제조 전략의 기술적 한계를 극복하기 위한 귀중한 과학적 지식을 제공했습니다. 또한 향후 양자 칩을 대량 제조에 통합하는 방법을 보여주었습니다.

정확도

가장 큰 발견 중 하나는 파운드리 공정이 양자 칩의 정확도나 충실도를 감소시키지 않았다는 것입니다. 실제로 실리콘 기반 양자 칩은 최첨단 스핀-큐비트 전략과 실시간 오류 수정을 결합해 제작될 때 세계 수준의 정확도를 유지할 수 있음을 보여주었습니다.

대량 제조

연구의 주요 목표는 실리콘 기반 양자 컴퓨터가 성숙한 반도체 산업을 활용할 수 있음을 입증하는 것이었습니다. 엔지니어들은 이 목표를 달성했으며, 이는 이러한 칩이 대규모 채택을 받을 수 있는 길을 열어줍니다.

실제 적용 및 타임라인

이 연구에는 여러 적용 분야가 있습니다. 첫째, 신뢰할 수 있는 실리콘 양자 칩의 대규모 생산을 위한 실현 가능한 경로를 제공하는 데 도움이 될 것입니다. 이러한 장치는 AI, 항공우주, 의료, 기후 모델링 등 많은 첨단 산업에서 중요한 역할을 할 것입니다.

대규모 양자 칩 제조 연구 타임라인

지역 컴퓨터 매장에서 저렴한 가격으로 양자 구동 장치를 보게 되려면 7~10년이 걸릴 것입니다. 그러나 이 작업은 다음 10년 내에 합리적인 가격의 양자 구동 컴퓨터를 위한 길을 닦습니다.

대규모 양자 칩 제조 연구 연구원

대규모 양자 칩 제조 연구를 성공시키기 위해, UNSW 시드니의 나노 기술 스타트업인 Diraq는 유럽 나노 전자 연구소인 Interuniversity Microelectronics Centre(imec)와 협력했습니다. 특히 Diraq는 이전에 자체 실험실에서 CMOS 공정을 이용해 큐비트를 제작한 실리콘 칩 설계를 공개한 바 있습니다.

이 단계는 팀이 기술을 더욱 발전시켜 대규모 제조 방식을 적용하도록 영감을 주었습니다. 이 근본적인 성과는 운송부터 의료 장치까지 모든 분야에서 사용될 실리콘 기반 양자 칩의 대량 생산을 가능하게 합니다.

향후 연구 방향

엔지니어들은 향후 계획에 대해 대규모 구성 및 높은 전자 점유에 대한 추가 조사를 진행할 예정이라고 밝혔습니다. 목표는 관찰된 오류 메커니즘의 물리적 원인을 더 잘 이해하고, 이를 정확히 예측하고 방지할 수 있는 모델을 만드는 것입니다. 성공한다면 이 작업은 해당 분야에서 더욱 높은 성능을 위한 명확한 경로를 제공할 것입니다.

양자 컴퓨팅 투자

여러 양자 컴퓨터 개발 업체가 전 세계에서 활동하고 있습니다. 이들 기업은 제조 비용을 낮추기 위해 지속적으로 연구개발에 투자하며 컴퓨팅의 한계를 넓히고 있습니다. 여기 시장에서 선구적인 정신을 유지하며 업계 리더로 인정받는 기업이 있습니다.

Rigetti Computing

Rigetti Computing은 2013년에 시장에 진입했습니다. 캘리포니아에 기반을 두고 있으며 물리학자 Chad Rigetti에 의해 설립되었습니다. Rigetti Computing의 초기 초점은 초전도 큐비트를 만들고 유지하는 것이었습니다. 이 접근 방식에는 전체 스택 초전도 양자 시스템 및 기타 핵심 하드웨어를 만드는 것이 포함되었습니다.

특히 Rigetti Computing은 시장에서 항상 선구적인 정신을 보여왔습니다. 예를 들어 2016년에 최초의 양자 프로세서를 도입했습니다. 이 3큐비트 칩은 향후 혁신의 길을 열었으며, 알고리즘 개발을 촉진한 Forest 양자 프로그래밍 환경의 출시도 포함됩니다.

2017년에 Rigetti Quantum Cloud Services(QCS)가 출시되어 기업 수준에서 강력한 양자 칩에 접근할 수 있게 했습니다. 같은 해 캘리포니아 프리몬트에 새로운 파운드리를 개설하는 조치가 뒤따랐습니다. 이러한 조치는 회사의 입지와 제조 역량을 강화하는 데 도움이 되었습니다.

2024년에 Rigetti Computing은 32큐비트 프로세서를 시연했습니다. 이 조치에 이어 AWS와의 전략적 파트너십이 이루어졌습니다. 이러한 모든 조치는 Rigetti Computing의 시장 입지와 소비자 신뢰를 강화했습니다. 따라서 오늘날 양자 컴퓨팅 분야에 노출되는 탁월한 방법으로 인식되고 있습니다.

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대규모 양자 칩 제조 연구 | 결론

성숙한 반도체 산업을 활용할 수 있는 실리콘 양자 칩을 만드는 것이 모두에게 이득이 되는 이유는 많습니다. 첫째, 비용 절감과 추가 연구를 촉진할 것입니다. 또한 향후 더 많은 기술 혁신을 고무할 것입니다.

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참고문헌

^{1. Steinacker, P., Dumoulin Stuyck, N., Lim, W. H., Tanttu, T., Feng, M., Serrano, S., Nickl, A., Candido, M., Cifuentes, J. D., Vahapoglu, E., Bartee, S. K., Hudson, F. E., Chan, K. W., Kubicek, S., Jussot, J., Canvel, Y., Beyne, S., Shimura, Y., Loo, R., . . . Dzurak, A. S. (2025). 산업 호환 실리콘 스핀-큐비트 유닛 셀, 99% 이상의 충실도. Nature, 1-7. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09531-9}