전기전자/정보통신

닛케이 일렉트로닉스_2604호 (p28-29)

국산 반도체 양자컴퓨터 공개, 30년에 탁상형도 목표
반도체 방식의 Blueqat, 양자점을 집적해 100만 큐비트 목표

양자컴퓨터 관련 사업을 전개하는 blueqat(도쿄)은 개발 중인 반도체 방식의 양자컴퓨터 실물을 공개했다. 지금까지는 모형만 전시해 왔으나 이번에 처음으로 실물을 선보였다. 반도체 제조기술을 활용하면 큐비트 수를 늘리기 쉽다는 것이 특징이다. 2030년에는 100만 큐비트의 탁상형 양자컴퓨터 실현을 목표로 하고 있다.

반도체 전문 전시회 ‘SEMICON Japan 2025’(2025년 12월 17~19일, 도쿄 빅사이트)에서 실물을 전시했다. 탑재된 큐비트는 공개하지 않았지만, 수 비트 정도로 추정된다. 시스템 제작과 냉동기 제공에는 스미토모중공업이 협력했다.

공개된 실물은 데이터센터에 배치할 것을 염두에 둔 랙 구조를 채택했다. 크기도 서버 랙과 동일한 수준이다.

blueqat의 미나토(湊) CEO는 “이번 성과를 바탕으로 2026년에는 수십 큐비트 칩을 탑재하는 것이 목표다”라고 말했다. 그 중 일부 기능을 클라우드 등을 통해 연구개발용으로 제공할 계획이다. 양자 계산용 반도체 칩 제조에는 산업기술종합연구소(산총연)가 협력한다.

-- 스미토모중공업이 냉동기를 제공 --
반도체 방식 양자컴퓨터의 강점은 칩 설계와 제조에 반도체 산업의 기술을 활용할 수 있다는 점이다. 집적화에 적합하며, 제어회로를 포함한 원칩(One-chip)화도 고려하고 있다.

양자컴퓨터 중 가장 연구가 활발한 초전도 방식과 비교하면, 가동 온도를 높게 유지할 수 있어 대형 냉동기가 필요하지 않다. 공개된 실물은 스미토모중공업이 제공하는 소형 냉동기로, 약 0.5K(켈빈, 약 -273℃)로 냉각해 가동한다.

blueqat은 앞으로 큐비트 제어기술을 확립해 나갈 예정이다. 큐비트 제어에 Cryo CMOS(상보성금속산화막반도체)라고 불리는 극저온에서 동작하는 반도체 회로를 사용할 방침이다. 제어회로를 냉동기 내부에 배치할 수 있기 때문에 냉동기 외부까지 케이블을 연결하지 않고도 큐비트를 제어할 수 있어 시스템의 단순화와 저비용화를 기대할 수 있다.

-- 3개의 전자 스핀 상태 활용 --
blueqat의 양자컴퓨터는 기술적으로 실리콘(Si) 내부에 전자를 가둔 ‘양자점’을 큐비트로 사용한다. 양자점에 갇힌 전자의 스핀 상태(자기적 성질)를 이용해 계산한다.

이와 같은 방식 중에서도 blueqat의 기술은 3개의 전자의 상대적인 스핀 상태를 이용하는 Exchange Only(EO) 방식이라는 점이 특징이다. 큐비트는 자기장의 영향을 덜 받기 때문에 오류 정정에 필요한 큐비트의 수를 줄이기 쉽다.

산총연 첨단반도체연구센터의 모리(森) 연구팀장은 “반도체 방식 양자칩의 제조공정이 일반적인 반도체 제조공정과 거의 동일하다”라고 설명한다. 그는 산총연에서 양자컴퓨터용 반도체 기술 개발 책임자를 맡고 있으며, blueqat의 양자컴퓨터용 칩 개발에도 협력하고 있다.

다만 양자칩에는 일반적인 반도체 칩과는 다른 구조와 재료가 필요하다고 한다. 예를 들면, 양자 계산 결과를 읽어내기 전에는 개별 큐비트의 상태를 관측할 수 없다. 읽기 전에 큐비트를 관측하면 양자 상태가 깨져서 계산을 수행할 수 없기 때문이다.

따라서 양자칩은 다수의 양자점이 연속적으로 배열된 구조를 만들고, 우선 이들을 전체적으로 제어해 계산을 수행한다. 그 후, 큐비트 배열과 마주 보는 위치에 배치된 전하 센서를 통해 계산 결과를 읽어낸다.

-- 제조는 ‘FinFET’과 유사 --
제조에는 첨단 반도체의 FinFET(핀펫) 공정과 유사한 방법을 사용한다. 핀의 높이는 약 45nm이며, 핀 부위에 게이트 전극을 적층하고 전압으로 전자를 가두는 방식이다. 현재는 전자선 리소그래피로 큐비트를 제작하고 있지만, 미국 반도체 기업인 인텔과 벨기에 imec은 첨단 반도체 양산에 사용되는 EUV(극자외선) 노광을 이용한 제조를 이미 실증했다.

앞으로는 큐비트의 집적 수가 증가함에 따라 읽기 센서를 어떻게 배치할지 등이 기술적인 과제가 될 것이다. 현재 큐비트와 읽기 센서가 서로 마주 보는 형태로 배열되기 때문에 큐비트의 집적 방향이 한 방향으로 제한되어 직선 형태가 된다. 모리 연구팀장은 “집적 수를 늘리기 위해서는 큐비트를 평면 형태로 배치하고 싶지만, 현재의 마주보는 배치 구조로는 실현하기 어렵다”라고 설명한다.

재료 측면에서도 고민이 필요하다. 일반적인 반도체 칩에는 천연 실리콘(Si) 기판을 사용하지만, 양자칩에는 실리콘의 주요 동위원소(양성자 수는 같지만 중성자 수가 다른 원자)인 실리콘28(28Si)을 농축한 기판을 사용한다.

천연 실리콘에는 수% 정도의 비율로 실리콘29(29Si) 등 함량이 적은 동위원소가 포함되어 있다. 양자칩에서는 이러한 동위원소가 가지고 있는 미세한 핵스핀이 자기적 교란 요인이 되어 큐비트의 코히런스 시간(양자 계산을 실행할 수 있는 최대 시간)을 단축시킨다.

이러한 영향을 제거하기 위해 인텔과 네덜란드의 델프트 공과대학, 우라늄 농축 기업인 유럽의 유렌코(urenco) 등은 실리콘 중 실리콘28의 순도를 99% 이상으로 높이는 동위원소 농축 기술 개발을 추진하고 있다.

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닛케이 일렉트로닉스_2604호 목차

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반도체 방식의 Blueqat, 양자점을 집적해 100만 양자 비트 지향

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Breakthrough 특집2
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3차원 메모리 경쟁 벌이는 한중일, 키옥시아는 IGZO로 적층형 DRAM

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양방향 GaN 및 차세대 소재 AlN의 진전, 전력 변환기를 저손실, 소형, 저비용으로

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・반도체 설계
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도레이가 160℃ 내열 OPP 필름 개발, 탈(脫)불소와 저비용 동시 달성, 반도체 제조에 기대 외

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