A Quantum Components Industry Is Emerging New start-ups offer components for quantum computers
The punishingly cold temperatures and fragile quantum states at the heart of a quantum computer put extreme constraints on the electronics that support them. So far, quantum computing companies have had to solve these challenges in-house, but as the field matures, a burgeoning quantum components industry is springing up to provide off-the-shelf solutions.
새로운 스타트업, 양자 컴퓨터용 부품 공급
양자 컴퓨터의 핵심인 극한의 저온과 취약한 양자 상태는 이를 지원하는 전자 장치에 극심한 제약을 가합니다. 지금까지 양자 컴퓨팅 기업들은 이러한 과제를 자체적으로 해결해야 했지만, 이 분야가 발전함에 따라 기성 솔루션을 제공하는 양자 부품 산업이 급성장하고 있습니다.
가장 널리 사용되는 양자 컴퓨팅 기술 중 두 가지인 초전도 큐비트 와 실리콘 스핀 큐비트는 모두 열 잡음으로 인한 계산 방해를 방지하기 위해 매우 낮은 온도가 필요합니다. 즉, 약 20밀리켈빈(-273.13°C)의 온도까지 냉각할 수 있는 특수 희석 냉장고 에 보관해야 합니다 .
이러한 냉장고는 이처럼 극저온에서 공간과 냉각 성능이 매우 제한적입니다. 냉각 성능은 장치가 일정 시간 동안 얼마나 많은 열을 제거할 수 있는지를 나타내는 척도이며, 온도가 절대 영도에 가까워질수록 기하급수적으로 감소합니다. 기존의 제어 전자 장치는 이러한 냉장고 내부에 통합하기에는 너무 많은 열을 방출합니다. 따라서 양자 컴퓨터는 일반적으로 부피가 큰 케이블을 통해 큐비트 에 연결된 외부 하드웨어 랙에 의존하는데, 이 또한 냉장고에 상당한 양의 열을 발생시킬 수 있습니다.
이는 공간과 냉각 예산을 비효율적으로 사용하는 것이며, 각 냉장고에 탑재할 수 있는 큐비트의 수를 크게 제한합니다. 하지만 현재 스타트업들은 이러한 극저온 환경에 맞춰 특별히 설계된 전자 장치 , 증폭기 , 케이블을 개발하고 있습니다 . 핀란드 스타트업 SemiQon 의 최고 과학 책임자인 Janne Lehtinen은 이를 통해 큐비트와 전자 장치를 훨씬 더 긴밀하게 통합하여 각 냉장고에 탑재할 수 있는 컴퓨팅 성능을 크게 향상시킬 수 있다고 말합니다.
그는 이러한 전문 부품 공급업체 생태계가 빠르게 부상하고 있으며, 이는 초기 고전 컴퓨팅 시대의 발전 양상을 반영한다고 말합니다. 레티넨은 "처음에는 모든 것을 담당하는 소수의 업체들이 있었지만, 속도가 빨라지면서 여러 전문 분야로 나뉘었습니다."라고 말합니다. "그래서 모든 분야에서 최고가 될 필요는 없었지만, 시장에서 최고의 기술을 확보할 수 있었습니다. 그리고 이제 이러한 현상이 양자 컴퓨팅에서도 일어나고 있다고 생각합니다.
극저온에서 최소한의 열을 발생하도록 최적화된 트랜지스터를 통해 제어 전자 장치가 양자 프로세서 에 더욱 가까워질 수 있습니다 . SemiQon
SemiQon은 극저온에 최적화된 새로운 CMOS 트랜지스터를 개발했습니다. 이 트랜지스터는 희석 냉장고의 가장 차가운 부분에서도 제어 전자 장치가 작동할 수 있도록 합니다. 트랜지스터 제작에 사용되는 설계와 소재를 최적화함으로써 스위칭 임계값을 대폭 낮춰 매우 낮은 전압에서도 작동할 수 있도록 했습니다. 즉, 열을 거의 방출하지 않아 냉장고의 냉각 예산을 초과하지 않고도 20mK의 낮은 온도에서도 작동할 수 있습니다.
레티넨은 이를 통해 큐비트와 함께 작동하는 전자 장치를 제어할 수 있는 길이 열릴 수 있으며, 이를 통해 큐비트의 물리적 공간을 크게 줄이고 각 장치에 훨씬 더 많은 큐비트를 집적할 수 있게 될 것이라고 말합니다. 현재 회사는 수천 개의 트랜지스터로 구성된 회로를 제작할 수 있으며, 이는 이미 멀티플렉서나 스위치와 같은 유용한 부품을 제작하기에 충분한 수준입니다. 하지만 2년 안에 약 100개의 큐비트로 구성된 양자 프로세서를 제어할 수 있는 극저온 마이크로컨트롤러를 생산할 수 있을 것으로 예상합니다.
노이즈를 줄이는 증폭기
많은 양자 컴퓨터 아키텍처에서 주요 열원이 될 수 있는 또 다른 핵심 구성 요소는 신호 증폭기입니다. 큐비트의 출력 신호는 매우 약하기 때문에 기존 전자 장치에서 처리하려면 상당히 증폭되어야 합니다. 하지만 이러한 신호를 증폭하는 데 사용되는 증폭기는 상당한 양의 열을 발생시켜 냉장고 냉각 예산의 최대 50%를 소모한다고, 새로운 초전도 증폭기를 개발 중인 캐나다 스타트업 큐빅 테크놀로지스의 CEO 제롬 부라사는 말합니다.
희석 냉장고는 실온에서 수 밀리켈빈까지 다양한 온도에서 작동하는 여러 단계로 나뉩니다. 부라사에 따르면, 가장 낮은 온도에서는 조셉슨 접합 기반 초전도 증폭기가 열을 거의 발생시키지 않기 때문에 일반적으로 신호를 증폭하는 데 사용됩니다. 하지만 이 증폭기는 냉장고에서 신호를 출력할 만큼 충분한 증폭을 제공하지 못합니다. 따라서 수십 밀리와트의 열을 생성하는 더욱 강력한 반도체 증폭기 세트가 추가로 필요하며, 따라서 상당한 냉각 전력이 여전히 존재하는 4켈빈 단계에 설치되어야 합니다.
하지만 큐비트 수가 증가함에 따라 필요한 증폭기의 수도 비례하여 증가합니다. "어느 시점에 이르면 증폭기의 열을 제거할 충분한 냉각 전력을 확보할 수 없게 됩니다."라고 부라사는 말합니다. "그래서 냉장고에 있는 큐비트의 수는 제한되어 있습니다."
큐빅은 조셉슨 접합에 의존하지 않고 자체 개발한 니오븀 합금 으로 제작된 도파관을 사용하는 새로운 초전도 증폭기를 개발했습니다 . 부라사는 이 설계가 기존 반도체 증폭기와 동일한 수준으로 신호를 증폭할 수 있을 뿐만 아니라, 초전도 특성을 지녔기 때문에 열 방출을 10,000배까지 줄인다고 밝혔습니다.
이 증폭기는 밀리켈빈 온도에서 작동할 수 있지만, 현재 설계는 큐비트 근처에서 작동하기에는 잡음이 너무 많습니다. Bourassa는 대신, 현재 냉장고 냉각 예산의 상당 부분을 차지하는 반도체 증폭기를 대체하기 위해 초전도 증폭기를 사용하는 것이 목표라고 말합니다. 이 장치는 2026년에 출시될 예정이며, 회사는 이미 선도적인 양자 컴퓨터 개발업체들과 협력하고 있습니다.
초전도체로 만든 신호 증폭기는 증폭기에서 발생하는 열을 10,000배까지 줄일 수 있습니다. Qubic Technologies
단일 희석 냉장고에 들어갈 수 있는 큐비트 수를 제한하는 또 다른 원인은 케이블입니다. 현재 대부분의 양자 컴퓨터는 부피가 크고 중심부에 비교적 두꺼운 금속 와이어가 있는 동축 케이블을 사용하여 열을 시스템으로 전달한다고, 혁신적인 극저온 케이블을 개발하는 네덜란드 스타트업 델프트 서킷(Delft Circuits) 의 최고 제품 책임자인 다안 쿠이텐브로워(Daan Kuitenbrouwer) 는 말합니다 .
또한 신호 필터와 같은 다른 구성 요소와 연결하고 각 단계에 필요한 온도까지 케이블 구간을 냉각하기 위해 정기적으로 전원을 차단해야 합니다. 카이텐브로워는 이를 위해 최대 20개의 상호 연결선이 필요할 수 있으며, 각 상호 연결선은 잠재적인 고장 지점이 될 수 있다고 말합니다. 그는 "시스템을 냉각하면 재료마다 열 수축률이 다르기 때문에 수축 방식도 다릅니다."라고 말하며, "너무 자주 냉각하면 결국 마모되어 고장이 납니다."라고 덧붙였습니다.
델프트는 더욱 작고, 필요한 연결 수를 줄이며, 냉장고로의 열 전달을 크게 줄이는 초전도 플렉스 케이블을 개발했습니다. 이 장치는 연성 인쇄 회로 기판(PCB) 스트립과 유사하며 , 8개의 인접한 전선으로 구성됩니다. 4K 이상에서는 전선이 은으로 만들어지고, 그 이하에서는 니오븀-티타늄 초전도체 로 만들어집니다 .
Kuitenbrouwer는 이 전선이 동축 케이블보다 훨씬 가늘기 때문에 시스템으로 열을 거의 전달하지 않으며, 각 온도 단계에서 두 금속 부품 사이에 플렉스를 고정하기만 하면 냉각이 가능하다고 설명합니다. 신호 필터와 같은 부품도 케이블에 직접 통합되어 있습니다. 즉, 케이블에는 두 개의 커넥터만 필요합니다. 하나는 냉장고 상단에, 다른 하나는 은에서 니오븀-티타늄으로 전환되는 부분에 있습니다.
끝에 큰 커넥터가 있는 유연한 와이어를 잡고 있는 장갑 낀 손
초전도체로 만든 얇고 유연한 전선은 극저온 용기에서 차지하는 공간과 발열량이 줄어들어 단일 냉장고에 더 많은 양자 비트를 담을 수 있습니다. 델프트 회로
미래의 양자 마더보드
델프트는 향후 동일한 기술을 사용하여 쿠이텐브로워가 "양자 마더보드"라고 부르는 것을 개발할 계획입니다. 이는 극저온에서 다양한 부품을 통합할 수 있는 연결선이 주입된 2D 시트입니다. 델프트는 미래의 양자 컴퓨터가 여러 개의 소형 양자 처리 장치와 극저온 제어 전자 장치가 모두 동일한 칩에 통합된 칩릿 아키텍처를 따를 것으로 예상합니다.
"서로 연결되어야 하는 다양한 기능 구성 요소들이 뒤섞인 거대한 동물원 같은 구조입니다."라고 쿠이텐브라우어는 말합니다. "따라서 기본적으로 필요한 것은 매우 높은 밀도와 매우 낮은 손실의 상호 연결이며, 이것이 바로 초전도 플렉스가 제공할 수 있는 것입니다."
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