한양대학교 ERICA 장태환 교수 연구팀이 양자컴퓨팅 시스템 실용화를 앞당길 ‘극저온 저잡음 증폭기(LNA)’를 개발했다고 13일 밝혔다.
이번 연구는 양자컴퓨터의 핵심인 큐비트(Qubit) 신호를 정밀하게 증폭하면서도 잡음을 최소화하는 집적형 회로 기술을 제시했다는 점에서 학계의 큰 주목을 받고 있다.
최근 초전도 기반 양자컴퓨팅 기술이 빠르게 발전하면서 영하 269도(4K) 이하의 극저온 환경에서 동작하는 고성능 전자회로의 중요성이 커지고 있다. 큐비트에서 발생하는 신호는 매우 미약해 정확한 증폭이 필수적이지만 극저온에서 안정적인 대역폭과 고른 성능(이득 평탄도, Gain Flatness)을 동시에 확보하는 것은 기술적 난제로 꼽혀왔다.
특히 기존의 실온 외부 장비에 의존하는 구조는 대규모 시스템 확장 시 배선 복잡도와 열 부하 문제로 상용화에 어려움을 겪었다.
이에 연구팀은 이를 해결하기 위해 범용 반도체 제조 공정인 28㎚ CMOS 공정을 기반으로 한 ‘3단 공통소스 구조’ 증폭기를 설계했다.
여기에 각 증폭 단계의 주파수 응답을 정밀하게 제어하는 ‘폴 정렬(pole-aligning)’ 기법을 도입해 성능의 균일함을 확보했으며, 온도 변화에 따른 금속 전도도 변화 문제를 해결하고자 특수 인덕터 구조를 적용, 극저온 환경에서도 회로가 안정적으로 동작하도록 설계했다.
개발된 증폭기는 4K 극저온 환경에서 7.2㎓ 중심주파수 최대 30.4㏈의 이득과 6.1㎓의 1-㏈ 평탄 대역폭을 달성했으며, 평균 0.36㏈ 수준의 극저잡음 지수를 기록했다.
또한 소비 전력을 4.8㎽ 수준으로 낮춰 기존 극저온 증폭기 대비 우수한 에너지 효율을 확보함으로써, 대규모 큐비트 시스템 확장에 요구되는 신호 간섭 및 열 부하 문제를 효과적으로 완화할 가능성을 입증했다.
장태환 교수는 “양자컴퓨팅의 실용화를 위해서는 극저온에서도 안정적으로 동작하는 고집적 회로 기술이 필수적”이라며 “이번 연구는 이러한 요구를 충족할 수 있는 중요한 기술적 기반을 제시했다는 점에서 의미가 크며, 향후 양자컴퓨터용 반도체 및 회로 기술 발전에 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이번 연구 성과는 전자공학 학술지인 ‘IEEE Transactions on Consumer Electronics(상위 2.5%)’에 게재 승인돼 Early Access로 지난달 29일 공개됐다.
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