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Nikkei Computer_2023.2.16 특집 요약 (p36~45)

초전도 양자컴퓨터 향한 일본의 도전
게이트형 양자컴퓨터의 테스트베드 가동

이화학연구소는 2023년 3월말을 목표로 첫 국산 게이트형 양자컴퓨터의 테스트베드를 가동할 예정이다. 양자컴퓨터는 계산 소자인 큐비트의 실현 방법으로 분류되며, '광방식'과 '반도체방식', '이온트랩방식' 등이 있다. 이화학연구소가 가동할 예정인 테스트베드는 '초전도 방식'이다. IBM이나 구글 등도 개발을 추진하고 있는 초전도 방식은 아직 실용적인 성능을 가지고 있지는 않지만, 현재 실제 기기 개발이 가장 앞서고 있는 방식이다.

-- 일본의 강점은 부품 --
초전도 양자컴퓨터 개발에서 일본은 지금까지 미국과 중국에 뒤처져 왔다. 한편, 산업기술종합연구소 신원리컴퓨팅연구센터의 가와바타(川畑) 부연구센터장은 “부품 및 부재 레벨에서는 일본이 강하다”라고 지적한다.

IBM은 2021년 6월, 도쿄대학과 공동으로 도쿄대학 내에 양자컴퓨터의 연구개발 거점인 ‘양자컴퓨터 하드웨어 테스트센터’를 개설했다. 이것도 일본 기업에 대한 기대의 표시라고 할 수 있다. 센터 내 초전도 양자컴퓨터는 부품 치환이 가능하며, IBM과 도쿄대학은 다양한 기업들과 공동으로 하드웨어 측면의 성능 향상을 위해 부품 개발 및 연구를 추진하고 있다.

IBM은 실제 초전도 양자컴퓨터를 미국 외에 일본과 독일 등에 두고 있지만, 하드웨어 개발 연구용은 일본뿐이다. 양자컴퓨터가 실용적인 성능을 발휘하려면 현재 수 십~수 백의 큐비트 수를 100만 개 정도로 늘릴 필요가 있는 것으로 알려져 있다.

도쿄대학 대학원의 센바(仙場) 이학계연구과 특임교수는 “양자컴퓨터에는 매우 높은 기술 수준이 요구되는 부품이 많으며, 향후 필수불가결한 부품의 소형화와 성능 향상은 일본의 강점 분야이다”라고 말하며 “이번 건은 일본에게 제조의 잠재력을 살릴 수 있는 100년에 한 번의 호기로, 우수한 기업들이 꼭 참가해주었으면 한다”라고 기대감을 나타낸다.

-- 마이크로파로 제어 및 관측 --
초전도 양자컴퓨터는 컴퓨터라고 이름이 붙지만 PC 등 기존 방식의 컴퓨터와는 구조가 크게 다르다. 우선 그 기본 구조와 주요 부품을 소개한다.

양자컴퓨터의 심장부는 '0'과 '1'의 정보를 중첩된 형태로 유지할 수 있는 큐비트와, 큐비트에 대해 마이크로파를 조사(照射)하거나 판독하는 '양자컴퓨터 제어장치'이다.

초전도 방식의 큐비트는 주파수가 수 기가헤르츠의 마이크로파를 조사하면 '양자 중첩'이 발생하거나, 다른 큐비트와의 사이에서 '양자 얽힘'이 발생하기도 한다. 이러한 양자현상을 일으키기 위해 이용하는 마이크로파는 '큐비트 제어용 신호'라고 부른다.

연산 결과는 큐비트에 대해 다른 마이크로파를 조사함으로써 판독할 수 있다. 이 마이크로파는 ‘판독용 신호’라고 부른다.

초전도 방식 양자컴퓨터의 어려움은 큐비트가 매우 민감해 미세한 노이즈가 들어가는 것만으로도 의미 있는 계산 결과를 얻을 수 없게 되어 버린다는 점이다. 큐비트는 절대 영도에 가까운 온도 환경에서 조작할 필요가 있어 신호 교환 시 노이즈를 줄이기 위한 기술개발이 곳곳에서 요구된다.

초전도 방식의 양자컴퓨터 구조를 보다 자세히 살펴보자.

사용자는 기존 방식의 컴퓨터를 사용해 양자컴퓨터를 조작할 수 있다. 사용자의 지시는 제어장치가 받게 된다. 제어장치는 제어용 신호와 판독용 신호를 큐비트에 송출하고 연산 결과를 기존 방식의 컴퓨터로 되돌려 보낸다. 제어장치의 심장부에는 현재, 전자회로를 자유롭게 프로그래밍할 수 있는 반도체 칩 FPGA가 사용되고 있다.

큐비트의 제어와 계산결과 판독을 위한 신호는 제어장치 내의 DA(디지털-아날로그) 컨버터에서 아날로그 마이크로파로 변환된다. 마이크로파는 업컨버터로 주파수를 상승시키고 필터 등을 이용해 큐비트의 제어 및 판독에 맞춰 신호를 조정한다.

큐비트가 존재하는 희석 냉동기 내부, 즉 절대 영도에 가까운 10밀리켈빈(mK) 정도의 극저온 환경으로 신호를 보내는 과정에서는 감쇠기로 진폭을 줄인다. 감쇠기를 이용하는 것은 큐비트에 가해지는 열 잡음을 극한까지 낮추기 위해서이다.

초전도 양자칩 상의 계산 결과를 얻기 위해서는 큐비트의 판독 신호를 약 10mK의 환경에 설치된 조셉슨 매개증폭기(JPA)로 증폭해야 한다. JPA는 공진 회로에서 코일이나 콘덴서 등의 회로 파라미터를 공진 주파수의 2배 주파수로 변조했을 때 일어나는 ‘파라메트릭 증폭’이라는 현상을 이용해 고감도, 저잡음으로 신호를 증폭한다.

--이화학연구소, 칩 배선 고안 --
실제로 어떤 부품을 어떤 기업과 조직이 개발하고 있는지 살펴보자. 연산 소자인 초전도 큐비트를 탑재한 칩은 국내에서는 이화학연구소 등이 연구개발하고 있다. 이화학연구소 양자컴퓨터연구센터(RQC)의 나카무라(中村) 초대 센터장은 1999년, NEC에서 초전도 회로를 사용한 세계 최초의 큐비트를 개발한 인물이다.

이화학연구소와 오사카대학이 2023년 3월 말까지 가동할 예정인 테스트베드에는 이화학연구소가 제조한 64큐비트 칩이 탑재된다. 이 큐비트 칩의 특징은 미래의 대규모화를 내다본 제어 배선. 통상적으로는 큐비트가 탑재된 칩의 수평방향으로 제어용 배선을 하지만, 수직방향으로 배선할 수 있도록 함으로써 배선의 혼잡을 방지하고 집적화를 가능하게 했다.

이화학연구소는 이 수직방향 배선을 가능하게 하기 위해 실리콘 칩에 수직으로 구멍을 뚫어 측면의 벽을 초전도체인 알루미늄으로 덮었다. 구멍을 뚫는 방법으로 마이크로파의 크로스토크(혼선)도 억제할 수 있었다고 한다.

하지만, 구멍을 뚫음으로써 이후의 가공이 어려워지는 단점도 있었다. 나카무라 센터장은 구멍을 뚫은 뒤 필요한 가공을 균일하게 하는 기술 확립에 3년 정도 걸렸다고 밝힌다.

향후에는 계산에 필요한 게이트 조작 중 2큐비트를 사용하는 조작으로 정확성을 나타내는 피델리티(충실도)가 99% 이상이 되도록 성능을 향상시키는 것이 목표 중 하나다. 제조상의 편차는 큐비트 피델리티의 편차로 이어지기 때문에 설계 뿐만이 아니라 제조 프로세스의 향상도 필요하게 된다고 한다.

후지쓰는 2021년 4월, 이화학연구소 RQC-후지쯔 연계센터를 설립해 이화학연구소가 가진 기술기반의 실용화를 목표로 하고 있다. 후지쓰는 특히, 초전도 큐비트 칩의 제조 프로세스 개선을 추진하고 있다.

이화학연구소의 64큐비트 칩에 채택된 초전도 큐비트는 동심원형의 콘덴서(축전기)로 되어 있으며, 두 전극을 조셉슨 접합소자로 접속하고 있다. 조셉슨 접합은 폭 200나노미터(nm) 정도의 알루미늄막 사이에 알루미늄의 산화막을 끼우는 구조로, 이 조셉슨 접합소자의 정밀도가 낮으면 원하는 주파수로 큐비트를 제어하거나 읽기가 어려워진다.

후지쓰는 조셉슨 접합소자의 형성 방법 중 하나로 웨이퍼의 경사 방향에서 알루미늄을 증착하는 방법을 연구하고 있다. 하지만 웨이퍼의 위치에 따라 증착원으로부터의 거리나 각도가 다르기 때문에 증착량이 달라져 편차가 발생하는 것이 과제였다.

이것을 해결하기 위해 여러 각도에서 알루미늄을 증착하거나 각도에 따라 증착원의 개구폭을 조정하는 기술을 개발해 칩 안의 조셉슨 접합 편차를 3.4%에서 1.1%로 개선할 수 있었다고 한다. 집적도가 같으면 많은 큐비트를 탑재할수록 칩은 커진다. 그러면 동일한 칩 안에서 증착원으로부터의 각도나 거리의 차이도 커지지만, 개발한 기술을 이용하면 편차를 낮출 수 있다.

-- 제어장치도 국내 기술로 개발 --
큐비트의 제어 및 판독 등을 담당하는 제어 장치에 대해서도 국내 기술개발이 진행되고 있다. 이화학연구소와 오사카대학의 테스트베드에는 양 측이 공동 개발한 제어장치가 탑재될 예정이다.

오사카대학은 오사카대학 양자정보·양자생명연구센터(QIQB)의 연구개발 성과인 양자컴퓨터의 제어 장치 및 미들웨어 기술을 사업화하는 스타트업 기업으로서 2021년 7월에 큐엘을 설립했다.

공동으로 개발한 제어장치의 특징 중 하나는 심플한 구성이다. 큐비트를 제어하는 양자 게이트 조작에서는 다양한 주파수의 마이크로파를 발생시킬 필요가 있지만, 각각의 주파수마다 발신기를 사용하면 회로의 규모가 방대해진다.

큐엘의 CSO(최고과학책임자)이기도 한 네고로(根來) 조교수는 “1개의 채널에서 폭넓은 주파수 전환이 가능해지도록 최첨단 일렉트로닉스를 채택했다”라고 말한다. 구체적으로는 2기가헤르츠 대에서 순식간에 주파수를 전환할 수 있도록 했다. 이를 위해 고속 DA(디지털-아날로그) 컨버터를 탑재, FPGA 내 메모리도 고속 및 대용량으로 만들었다고 한다.

더 나아가 신호선을 2개 사용해 역상(逆相)의 전류를 서로 흘려보내고, 신호선 사이의 전위차(電位差)를 사용해 전송하는 차동(差動) 전송 선로를 사용한 마이크로파 회로를 설계했다. 이로 인해 보드 내에서의 크로스토크를 막을 수 있어 집적화가 가능해졌다.

향후에는 큐비트 확장을 위한 과제에도 대응해나갈 방침이다. 네고로 조교수는 “무엇보다 동작시키는 것을 우선으로 했다. 방열 및 배열을 위한 히트 싱크와 각종 부품의 소형화 등을 통해 3분의 1 정도의 크기로 줄이고 싶다”라고 강조한다. 또한 제어 장치 간의 동기 정밀도 등 성능 향상에도 주력해나갈 방침이다.

-- 우주관측용 부품 등을 전용 --
가나가와(神奈川) 현 아이코(愛甲) 군 아이카와(愛川) 정에 본사를 둔 일본통신기(日本通信機)는 수 켈빈의 환경에 설치하는 HEMT 앰프를 양자컴퓨터용으로 개발해 국내 연구기관용으로 제공하고 있다.

일본통신기는 TV나 라디오 등 방송용 기기외에도 우주전파 천문학, 태양전파 천문학 등의 영역용으로 마이크로파, 밀리미터파, 서브 밀리미터파의 수신기 시스템을 개발 및 제조하는 사원수 88명(2022년 10월 시점)의 중소기업이다.

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

“수익이 나는 제품이 아니기 때문에 제조하는 업체 자체가 적다”(이와시타(岩下) 영업 부장). 하지만 일본통신기는 회로 설계부터 증폭 소자의 평가, 앰프의 제조 및 평가까지 사내에서 할 수 있는 체제를 갖추고 있으며, 국립천문대 등 관측소용으로 HEMT 앰프를 납품해왔다.

일본통신기가 양자컴퓨터용으로 개발한 HEMT 앰프 '9848XA'는 주파수 10GHz 안팎의 미약한 마이크로파를 1,000배 증폭할 수 있다. 300마이크로미터(μm) 정도 크기의 증폭소자를 직경 25μm, 길이 1mm 정도의 금와이어로 3개 연결해 3단계로 증폭하는 구조이다.

HEMT 앰프의 과제는 소형화이다. “전파 천문용에서는 성능에 주력해 개발해왔지만, 양자컴퓨터는 규모 확대를 위해 소형화가 요구되고 있다”(기술부 마이크로파그룹의 하라(原) 주관). 9848XA는 한 대로 복수의 큐비트 판독에 대응할 수 있지만, 구성상 많은 큐비트의 신호는 통과되지 않는다고 한다.

하라 주관은 “회로를 소형화하는 방법을 모색 중이다”라고 말한다. 향후, 가속도적인 양자컴퓨터의 규모 확대가 예상되는 가운데 요구되는 납기 안에 어떻게 필요개수를 생산할 수 있을 지도 과제이다.

-- 케이블과 커넥터에 장인의 기술 --
초전도 양자컴퓨터에서는 극저온에서의 동작이나 노이즈 내성 등 특수하고 수준 높은 성능이 각 부품에 요구된다. 마이크로파 신호를 부품이나 기기에 전달하는 케이블, 이들을 연결하는 커넥터도 예외는 아니다. 장인의 기술과 노하우를 가진 일본 기업들이 소재 및 가공 방법 개발을 위해 시행착오를 거듭하고 있다.

초전도 양자컴퓨터용 희석 냉동기 분야에서 압도적인 존재감을 가진 핀란드의 블루포스. 블루포스 전용 케이블에서 “100%에 가까운 점유율을 가지고 있다”라고 말하는 것은 요코하마(橫浜) 시에 있는 Coax의 개발기술부 소속 가사이(笠井) 씨이다. 절대 영도에 가까운 10밀리켈빈(mK) 부근에서 실온까지 마이크로파 신호의 송수신에 이용되는 동축 케이블 전반을 개발 및 제조하고 있다.

초전도 양자컴퓨터용 케이블은 희석 냉동기 내에 열을 전달하지 않는 것도 요구된다. 이를 위해 Coax는 케이블에 열전도율이 낮은 큐프로니켈이나 스테인리스, 베릴륨구리 등을 이용한다.

케이블에 필요한 성능 중 하나가 어디를 자르든 형상이 균일해야 한다는 것이다. Coax는 소재를 가는 구멍이 뚫린 금형에 통과시키는 '인발(引拔)가공'이라고 불리는 방법으로 케이블을 제조한다. 품질을 균일하게 하려면 일정한 속도로 소재를 계속 뽑아내는 것이 중요하지만, 니오븀-티타늄의 경우 재료가 약해 중간에 끊어지는 등의 문제가 생긴다고 한다.

코엑스는 인발가공에 이용하는 기계나 금형 외에 윤활유를 사용함으로써 안정적인 인발을 가능하게 했다. 특히 윤활유는 “마무리에 크게 영향을 주는 요소로, 개선하는 데 매우 힘들었다”(가사이 씨)라고 한다.

케이블의 또 다른 중요한 성능은 부드럽고 유연해야 한다는 점이다. 부드럽고 유연하면 자유도가 높고 효율적인 배선이 가능해진다. 반면 니오븀-티타늄을 비롯한 손상되기 쉽고 딱딱한 소재는 벤딩에 대한 내성이 낮아 부러지기 쉽다. Coax는 이 점에 대해서도 “자사 제품은 다른 어느 곳보다 부드러울 것”이라고 자신한다.

-- 정밀가공기술로 커넥터 제조 --
가와사키(川崎) 시에 본사를 둔 가와시마제작소(川島製作所)는 자동차를 비롯해 광통신과 위성, 의료기기 등 다양한 업계에 정밀 부품을 납품해온 업체이다. 초전도 양자컴퓨터에서는 국내외 연구기관용으로 케이블과 각 부품을 연결하는 커넥터를 개발하고 있다.

가와시마제작소가 개발한 커넥터의 가장 큰 특징은 커넥터와 케이블의 접속 부분이 나사 모양으로 되어 있다는 것이다. 일반적으로 커넥터와 케이블은 납땜으로 접합하지만, 초전도 양자컴퓨터는 희석 냉동기 내부가 절대 영도에 가깝기 때문에 “팽창과 수축을 반복하면, 솔더 접합부가 깨져 버리는 경우가 있다”(개발센터의 가와하라(川原) 주석)

나사의 경우, 접합용 금속이 열화(劣化)될 우려는 없는 한편, 직경 수 밀리미터~1 밀리미터 이하의 케이블과 커넥터에 나사 절삭을 실시하는 고도의 가공 기술이 필요하다. 가와시마제작소는 250대 이상의 공작기기를 보유하고 있으며, 절삭공구인 '바이트'를 자체 제작하는 기술도 가지고 있다. 자동차나 통신 분야의 정밀 부품 제조에서 쌓아온 노하우를 커넥터의 설계 및 가공에도 활용하고 있다고 한다.

커넥터에서도 큐비트 확장에 대한 대응이 향후 과제이다. 큐비트 확장에 맞춰 케이블을 가늘게 하고 커넥터를 소형화하면 이 두가지의 접점도 작아진다. 케이블과 커넥터의 팽창 계수 차이가 접속불량으로 이어질 가능성도 있기 때문에 가와시마제작소는 소재와 설계에 대한 연구개발로 대응해나갈 계획이다. 배선을 보다 작은 공간에서 쉽게 할 수 있도록 복수의 케이블을 하나의 커넥터로 연결하는 집적화도 검토하고 있다고 한다.

-- 우주를 뛰어넘는 비자성(非磁性)의 요구 수준 --
일본항공전자공업(日本航空電子工業)도 초전도 양자컴퓨터용 커넥터를 개발 및 제조한다. 정부가 도전적인 연구개발을 지원하는 '문샷형 연구개발제도'에서 '2050년까지 경제·산업·안전보장을 비약적으로 발전시키는 오류 내성형 범용 양자컴퓨터를 실현'이라는 목표 6에는 NEC가 대표기관을 맡는 '초전도 양자회로 집적화 기술개발'이 있으며, NEC의 자회사인 일본항공전자공업은 동축 커넥터와 기판 개발을 담당한다.

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