양자 컴퓨팅: 새로운 스마트 증폭기로 에너지 절감

스웨덴 찰머스 공과대학교 연구진은 큐비트 판독 신호가 들어오는 동안에만 켜지는 마이크로파 증폭기를 개발했다. 실험에서 평균 전력 소모는 계속 켜 두는 비교용 증폭기의 약 10분의 1이었고 응답 시간은 35나노초였다. 이는 큐비트 판독 회로에 관한 결과다. 완성된 양자컴퓨터의 연산 속도나 전체 소비전력이 같은 비율로 개선됐다는 뜻은 아니다.

큐비트 신호를 증폭하는 이유

일반 컴퓨터의 비트는 0 또는 1이다. 큐비트의 양자 상태는 중첩될 수 있지만 측정하면 고전적인 결과가 나온다. 큐비트 판독에 쓰이는 마이크로파 신호는 매우 약해 잡음을 최대한 억제하면서 증폭해야 한다. 중첩이 한 번의 측정으로 ‘모든 값을 동시에 얻는다’는 뜻은 아니다. 양자컴퓨터가 모든 문제에서 기존 컴퓨터보다 빠른 것도 아니다.

극저온 장치의 전력 부담

많은 양자 프로세서는 매우 낮은 온도에서 작동한다. 계속 가동되는 증폭기는 냉각 장치에 열을 더하고, 판독 채널이 늘면 부담도 커질 수 있다. 연구진은 짧은 판독 펄스 동안에만 증폭기를 켜도 필요한 신호 품질을 유지할 수 있는지 조사했다.

펄스형 HEMT 증폭기 연구

Pulsed HEMT LNA Operation for Qubit Readout 논문은 극저온에서 사용하는 저잡음 트랜지스터 증폭기를 다룬다. 최적화한 게이트 전압 파형을 이용해 판독 펄스가 도착하기 전에 증폭기와 잡음 특성이 빠르게 안정되도록 했다. 연구진은 전원을 켠 직후의 이득과 잡음 변화를 측정했다.

측정과 결과

연구진은 시간에 따른 잡음, 이득, 전류 변화를 살폈다. 찰머스 대학 발표에 따르면 증폭기는 35나노초 만에 반응했고, 펄스 방식의 전력 소모는 비교 대상인 연속 작동의 약 10분의 1이었다. 이 수치는 실험 조건에서 해당 회로 부품에 적용된다. 양자컴퓨터 전체의 전력 사용량이 90% 줄었다거나 모든 큐비트의 판독 정확도가 자동으로 높아졌다는 증거는 아니다.

판독 회로의 열을 줄이면 앞으로 채널을 더 많이 배치하는 데 도움이 될 수 있다. 다만 다른 큐비트 구조와의 통합, 장기간 신뢰성, 시스템 전체 성능은 더 시험해야 한다.

가능한 활용과 한계

화학, 최적화, 암호학 등에서 양자계산의 잠재력이 연구되고 있다. 이 증폭기 연구 하나가 현재 양자컴퓨터로 신약 시험을 대체하거나 모든 암호를 깨거나 거대한 물류 문제를 몇 초 안에 풀 수 있음을 보여주지는 않는다. 널리 상용화될 확정 일정도 이 논문에 제시되지 않았다.

연구진과 지원

논문 저자에는 Yin Zeng, Jörgen Stenarson, Peter Sobis, Jan Grahn이 포함된다. Vinnova의 Smarter Electronic Systems 프로그램과 찰머스 WiTECH 센터가 연구를 지원했다.

엔비디아와 양자컴퓨팅

엔비디아 (NVDA )는 양자 프로세서 제어와 연결할 수 있는 고성능 고전 컴퓨팅 및 소프트웨어를 개발한다. DGX Quantum 아키텍처는 Quantum Machines와 함께 개발했다. 엔비디아는 이번 찰머스 증폭기를 만든 기업이 아니며, 연구 결과는 엔비디아 주식의 향후 수익률을 예측하지 않는다.

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결론

펄스형 증폭기는 큐비트 판독 전자회로의 전력 소모를 줄이는 구체적인 방법을 보여준다. 대형 양자 시스템에서의 효과는 추가 통합 시험으로 확인해야 한다. 컴퓨팅 기술 관련 글 더 보기.

참고 논문

Zeng, Y., Stenarson, J., Sobis, P. 및 Grahn, J. (2025). Pulsed HEMT LNA operation for qubit readout. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. doi:10.1109/TMTT.2025.3556982.