일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2023.1.6

초전도 양자컴퓨터, 일본의 도전
노이즈 문제와 싸우고 있는 양자컴퓨터에 불가결한 특수 부품
우주 및 의료 분야의 기술을 응용

2023년은 일본의 양자컴퓨터 원년이 될 것이다. 실제 국산 하드웨어가 처음 가동될 예정이기 때문이다. 양자컴퓨터 개발은 IBM이나 구글 등이 앞서 있지만, 일본도 그 뒤를 추격하려 하고 있다. 양자컴퓨터 구성 부품에 일본 중소기업의 제품들이 많이 사용되고 있다는 점도 간과할 수 없다. 본 특집은 현재 가장 개발이 진전되고 있는 초전도 방식에 초점을 맞춰 양자시대 도래의 열쇠를 쥔 기술들을 소개한다.

초전도 양자컴퓨터의 심장부는 큐비트 칩과 제어장치이지만, 이외에도 중요한 부품들이 있다. 큐비트의 매우 미약한 마이크로파 신호를 노이즈를 억제하면서 증폭시키는 고성능 앰프와 그 전원 등이다. 이러한 부품들의 개발 및 제조에 기여하는 것을 목표로 하고 있는 것이 지금까지 우주와 천체, 의료 등 최첨단 기기용 부품에서 강점을 발휘해 온 일본 기업들이다.

큐비트 정보를 읽을 때 큐비트로부터 관측할 수 있는 마이크로파는 미약하기 때문에 단계적으로 증폭시킬 필요가 있다. 그 역할을 하는 것이 큐비트 칩과 동일하게 절대 영도에 가까운 약 10밀리켈빈의 환경에 설치되는 조셉슨 파라메트릭 앰프(JPA)와 약 4켈빈의 환경에 설치되는 HEMT(High Electron Mobility Transistor, 고속 전자 이동 트랜지스터) 앰프, 제어장치 내부 등 상온에 설치되는 저잡음 램프이다.

가나가와(神奈川) 현 아이코(愛甲) 군 아이카와(愛川) 정에 본사를 둔 일본통신기(日本通信機)는 HEMT 앰프를 양자컴퓨터용으로 개발해 국내 연구기관에 제공하고 있다. 일본통신기는 TV나 라디오 등 방송용 기기 외에도 우주 전파 천문학이나 태양 전파 천문학 등의 영역용으로 마이크로파, 밀리미터파, 서브밀리미터파의 수신기 시스템을 개발 및 제조하는 사원 수 88명(2022년 10월 시점)의 중소기업이다.

일본통신기가 양자컴퓨터용으로 응용하고 있는 것은 전파 천문 관측용 개발에서 쌓아온 기술이다. 전파 천문 관측에서는 아득히 먼 천체가 발하는 미약한 전파를 증폭시켜 관측한다. 미약한 전파를 노이즈를 억제하면서 증폭시키기 위해 분자운동을 억제할 수 있는 수 켈빈의 온도에서 동작하는 HEMT 앰프를 이용한다.

“수요가 많은 제품이 아니기 때문에 제조하고 있는 제조사 자체가 적다”(이와시타(岩下) 영업부 주관부장). 일본통신기는 회로 설계로부터 증폭 소자의 평가, 앰프의 제조·평가까지 사내에서 할 수 있는 체제를 정비해 국립천문대 등 많은 관측소에 HEMT 앰프를 납품해왔다.

-- 미약한 마이크로파를 3단계로 1,000배 증폭 --
일본통신기가 양자컴퓨터용으로 개발한 HEMT 앰프 '9848XA'는 주파수 10GHz 전후의 미약한 마이크로파를 1,000배 증폭시킬 수 있다. 300마이크로미터 정도의 증폭소자를 직경 25마이크로미터, 길이 1밀리미터 정도의 금 와이어로 3개 연결해 3단계로 증폭시키는 구조이다.

설계할 때에는 냉각 시의 부품 및 부재의 성능을 파악할 필요가 있지만, 수 켈빈의 극저온에서 동작시키는 환경은 많지 않기 때문에 제조사들도 공표하지 않는 경우가 많다. 일본통신기는 “시험 평가용으로 수 켈빈까지 냉각할 수 있는 냉동기도 자체 개발해 부품 및 부재를 테스트해 설계에 활용하고 있다”(기술부 마이크로파그룹의 하라(原) 주관)라고 한다.

HEMT 앰프의 과제는 소형화이다. “전파 천문용은 성능을 중심으로 개발해왔지만, 양자컴퓨터는 규모 확대를 위해 소형화가 요구되고 있다. 9848XA는 한 대로 복수의 큐비트 판독에 대응할 수 있지만, 구성 상 많은 큐비트의 신호는 통과되지 않는다고 한다.

앰프 1대는 어린아이가 한 손에 쥘 정도의 크기이지만, 규모 확대에 대응해 희석 냉동기 내부의 한정된 공간에 수 백 대 또는 수 천 대를 설치하기에는 너무 크다. 하라 주관은 “회로적으로 소형화하는 방법을 현재 모색 중이다”라고 한다. 향후, 규모 확대가 가속화될 것으로 예상되는 가운데, 요구되는 납기일 내에 어떻게 필요한 수의 제품을 생산할지도 과제이다.

양자컴퓨터 전용 HEMT 앰프는 “아직 수익을 낼 수 있는 단계는 아니다”(이와시타 부장)라고 한다. 하지만 “국내에서 양자컴퓨터용 HEMT 앰프를 만들 수 있는 것은 거의 당사뿐이다. 국산 양자컴퓨터 개발에 기여해나가고 싶다”라고 이와시타 부장은 말한다

-- 앰프의 성능을 최대한 끌어내는 저잡음 전원 --
증폭 시 발생하는 잡음은 앰프의 성능만으로는 결정되지 않는다. 잡음이 발생하는 큰 요인 중 하나가 앰프에 공급하는 전원의 성능이다. 요코하마(橫浜) 시의 NF회로설계 블록은 JPA나 HEMT 앰프를 동작시키기 위한 저잡음 직류 전원을 개발해 이화학연구소 등 다양한 양자컴퓨터 연구개발 거점에 납품하고 있다. 2023년 3월까지 이화학연구소와 오사카대학이 가동할 예정인 테스트베드에서도 일부 사용될 예정이다.

양자컴퓨터의 직류 전원에 요구되는 것은 “저잡음이며, 공급 전압이 환경 변화에 대해 안정적일 것”(와타나베(渡辺) 계측제어 디바이스 사업부장)이라고 한다. JPA 및 HEMT 앰프 등의 고속 앰프는 전원 잡음이 앰프 출력과 겹치거나, 전원 전압에 따라 증폭율이 달라지기 쉽기 때문이다.

전압이 잡음을 포함하지 않고 안정되면 판독 신호를 통해 큐비트가 0과 1 중 어느 쪽을 표현하고 있는지를 판정하기 위한 마진을 많이 얻을 수 있다.

20마이크로볼트 신호를 24데시벨로 증폭시킨 실험에서는 NF회로설계블록의 저잡음 직류 전원이 일반적인 스위칭 직류 전원에 비해 0/1 판정에 필요한 마진을 많이 확보할 수 있었다.

전원 전압을 불안정하게 만드는 큰 요인 중 하나는 온도 변화이다. NF회로설계블록은 온도 변화에 부품 선정 및 회로 설계로 대응했다. 온도의 영향이 적은 부품 선정에는 의료기기나 우주 산업에서 사용되는 고감도 광센서와 AD(아날로그 디지털)컨버터의 연구개발, 전자 부품의 출하 시험 등에 대응한 정밀 전원을 개발해온 노하우를 활용했다.

또한 “온도 변화의 영향을 없애는 특수 회로도 새롭게 개발했다”(와타나베 부장). 온도 변화로 발생하는 전압 변화의 계수와 반대 계수를 이용해 출력에 대한 온도 영향을 없애는 구조라고 한다. 'NF'라는 회사명 유래인 '네거티브 피드백'이라 불리는 회로 설계 기술을 기반으로 하고 있다. 이러한 방법을 통해 섭씨 1도의 변화 당 전압 변화를 10볼트 출력시 30마이크로볼트 이하로 억제했다.

더 나아가 하나의 단자로 플러스와 마이너스 전압을 출력할 수 있는 '바이폴라 출력'도 지원했다. 바이폴라 전원에서는 커넥터를 교체하지 않아도 소프트웨어 명령으로 전류의 방향이나 크기를 자유롭게 바꿀 수 있다. 이를 통해 NF회로설계블록의 저잡음 전원을 증폭 소자 전원뿐 아니라, 자기장을 이용한 큐비트 제어 등에 이용하는 것도 가능해졌다고 한다.

NF회로설계블록은 HEMT 앰프로 증폭시킨 신호를 실온에서 더 증폭시키는 저잡음 앰프도 양자컴퓨터용으로 개발하고 있다. NF회로설계블록의 앰프는 실온에서 가동시켰을 경우라도 증폭에 의해 발생하는 열잡음 레벨을 액체 수소 등을 통해 극저온까지 냉각한 환경에서 가동시켰을 경우에 생기는 레벨까지 억제할 수 있다고 한다.

'액티브 입력 임피던스 방식'이라고 불리는 특수한 회로를 채택해 최신 MRI 개발용으로 제공하고 있는 등, “성능은 세계 톱 클래스”(와타나베 이사)라고 한다.

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