일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2022.10.7

산업기술종합연구소, 양자 디바이스 연구 현장 공개
첨단 설비 활용으로 일본의 승부수 창출

산업기술종합연구소가 9월 30일, 미디어에 양자 디바이스 연구 현장을 공개했다. 산업기술종합연구소는 NEDO(신에너지·산업기술 종합개발기구) 프로젝트인 ‘양자 계산 및 이징 계산 시스템의 통합형 연구개발’에서 NEC, 와세다대학 등과 산학관 제휴를 통한 연구를 진행할 방침이다. 그 심장부가 되는 연구 시설에서는 양자 디바이스 개발에서 미국이나 중국에 뒤처지고 있는 일본이 승부수 창출을 목표로 하는 기술 분야를 볼 수 있었다.

“양자컴퓨팅에서 일본의 입지가 약해지고 있는 것은 사실이지만, 양자컴퓨터는 다양한 기술의 집대성이다. 부품이나 제조 프로세스 등에서 세계에 자랑할 만한 기술을 개발해나가겠다”. NEDO 프로젝트의 연구개발 책임자를 맡는 산업기술종합연구소 신원리컴퓨터연구센터의 가와바타(川畑) 부연구 센터장은 이렇게 각오를 말한다.

양자컴퓨터나 양자어닐링머신과 같은 양자 디바이스 개발을 추진하는 데 있어서는 학술적 이론과 시뮬레이션뿐만 아니라 설계, 제조, 검사, 동작 평가와 같은 프로세스가 필요하다. 이번에 산업기술종합연구소가 공개한 것은 제조와 검사, 동작 평가에서 이용하는 설비이다.

산업기술종합연구소는 현재 양자비트를 탑재한 연산 실행 부분과 양자비트에 연산 내용을 지시하는 전자파를 입·출력하는 명령제어 부분을 모두 절대영도에 가까운 온도까지 냉각이 가능한 희석냉동기 안에 넣어 동작시키는 기술 개발을 목표로 하고 있다.

현재의 초전도 양자컴퓨터는 기본적으로 명령제어 부분을 희석냉동기 밖에 두고, 희석냉동기 안에 있는 연산 실행 부분과 케이블로 연결한다. 하지만 양자비트의 수를 늘리면 연산 실행 부분과 명령 제어 부분을 그만큼 많은 케이블을 이용해 물리적으로 연결해야 한다. 이 때문에 명령제어 부분을 희석냉동기 밖에 두는 방식으로는 양자비트의 대규모화는 어렵다.

산업기술종합연구소는 명령제어부분을 칩화(반도체 CMOS 집적회로화)하여 연산실행부분과 동일한 희석냉동기 내부에 넣을 수 있도록 함으로써 이 문제의 해결과 저(低)전력화를 도모하고 있다.

-- 세계 최고 수준의 시작(試作) 및 테스트 환경 --
산업기술종합연구소가 공개한 설비 중 첫 번째는 초전도 양자회로 전용 클린룸 'Qufab'이다. 720㎡의 클린룸 내에 초전도 양자컴퓨터용 회로 및 디바이스 시작 프로세스 장치를 총 35대 구비해 초전도 양자디바이스 제조의 전 공정부터 후 공정까지 대응한다.

Qufab에서는 칩 상에 11층의 초전도 다층 배선이 가능한 것 외에도 실리콘 관통 전극(TSV)이나 플립 칩 접속(FCB)을 이용한 초전도 3차원 구현이 가능하다. 산업기술종합연구소에 따르면 이들 모두 세계 TOP 레벨의 기술이라고 한다.

산업기술종합연구소가 공개한 두 번째 설비는 300mm 저온 웨이퍼 프로버이다. 공표된 범위에서는 미국의 인텔, 프랑스의 전자정보기술연구소를 포함해 세계에 3대 밖에 없는 설비이다. 산업기술종합연구소는 양자컴퓨터 및 양자어닐링머신의 명령제어 부분의 유력 후보로서 반도체 CMOS 집적회로를 유력시하고 있다.

기존에는 소형의 저온 웨이퍼 프로버밖에 없었기 때문에 희석냉동기 내 극저온 아래에서의 트랜지스터 동작의 특성을 평가하기 위해서는 300mm의 웨이퍼를 할단(割斷)할 필요가 있었다. 이 때문에 일주일에 100소자 정도를 평가하는 것이 한계였다.

반면, 핀란드의 Bluefors와 AFORE가 공동 개발한 300mm 저온 웨이퍼 프로버를 사용할 경우, 300mm 웨이퍼를 그대로 2켈빈 이하로 냉각시킨 뒤 소자를 자동으로 연속 측정할 수 있다. 하루 2,000소자 이상 측정이 가능해 큰폭의 제어 회로 개발 효율화가 가능해졌다고 한다. 산업기술종합연구소는 이 기계를 양자비트 소자 개발에도 활용해나갈 방침이다.

산업기술종합연구소가 공개한 세 번째 설비는 양자컴퓨터의 칩을 저장하는 희석냉동기이다. 헬륨3와 헬륨4의 혼합액을 이용해 양자비트의 오동작을 막을 수 있는 절대영도에 근접한 극저온 환경을 조성할 수 있다.

이러한 설비들을 통해 산업기술종합연구소는 세계 최고 수준의 품질로 양자 디바이스 제조, 검사, 동작평가를 할 수 있게 되었다. 양자컴퓨터의 실용화를 위해서는 양자비트 및 제어기구의 대규모화와 집적화는 반드시 필요하다.

산업기술종합연구소는 그 제조에 불가결한 부품 및 기술 등을 개발한다면, 특허 획득과 벤처 창출 등을 기대할 수 있을 것으로 전망하고 있다. 가와바타 부센터장은 “단기적으로는 후발 주자이지만, 장기적으로는 많은 기업에서 사용되는 중요 부품이나 부재, 프로세스를 개발해나가겠다”라고 말한다.

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