대량 생산 가능한 광자 칩이 양자 스케일링을 가능하게 할 수 있다

콜로라도 볼더 대학교의 엔지니어들이 양자 컴퓨팅 도입의 핵심 단계인 확장성 문제를 해결했습니다. 양자 장치를 만드는 데 필요한 극도의 정밀도는 대규모로 재현하기 어려웠기 때문에, 양자 컴퓨팅은 여전히 ​​대다수 사람들이 접근하기 어려운 가격대를 형성하고 있습니다.

다행히도, 최근의 기술 발전으로 기존 CMOS 제조 방식을 활용하여 현재 시판되는 어떤 칩보다 훨씬 작고 저렴한 안정적인 양자 칩을 만들 수 있게 되면서 이러한 상황은 향후 몇 년 안에 바뀔 것으로 예상됩니다. 알아야 할 사항은 다음과 같습니다.

양자 컴퓨팅과 고전 컴퓨팅: 광자적 차이

기존 컴퓨터와 달리 양자 컴퓨터는 비트와 전통적인 칩을 사용하지 않습니다. 대신 양자 중첩과 큐비트를 이용하여 연산을 수행합니다. 양자 컴퓨터를 구축하는 가장 일반적인 방법 중 하나는 광자 변조기를 활용하는 것입니다.

이러한 장치는 양자 컴퓨터가 포획된 이온이나 중성 원자를 큐비트로 활용할 수 있도록 합니다. 이 칩을 통해 엔지니어는 주파수 변조를 통해 계산에 필요한 연산 명령을 전달하는 큐비트에 가변 레이저를 제어할 수 있습니다.

확장성 병목 현상: 대량 생산이 실패한 이유

현재 양자 컴퓨터 제조 방식에는 여러 가지 문제가 있습니다. 가장 큰 문제는 대량 생산이 불가능하다는 점입니다. 이 칩들은 매우 민감하고 정밀해야 하므로 대부분의 경우 연구실에서 개별적으로 제작해야 합니다. 현재 조립 방식은 엔지니어들이 대부분의 부품을 수작업으로 조립하는 것에 의존하고 있습니다.

또한, 이러한 장치는 고출력 레이저 빔을 통합하여 여러 큐비트에 정밀한 튜닝 기능을 제공합니다. 따라서, 특히 미래의 양자 컴퓨터가 수천 개의 큐비트를 활용할 수 있다는 점을 고려할 때, 이러한 장치는 신뢰성이 높고 내열성이 뛰어나야 합니다.

폼팩터 제한

현재의 양자 칩은 대부분의 응용 분야에 사용하기에는 너무 큽니다. 극저온 냉각, 긴 광 경로, 그리고 큐비트 간격을 넓게 배치하는 설계가 필요하기 때문입니다. 이러한 구성은 잡음을 줄이는 데 도움이 되지만, 기존 컴퓨터 칩에 비해 크기가 매우 커지게 만듭니다.

또한, 미래 세대의 양자 컴퓨터는 더 많은 큐비트를 사용할 것이므로, 오늘날 가장 발전된 양자 컴퓨터조차도 10년 후쯤 대중에게 공개될 양자 컴퓨터에 비하면 극히 일부분에 불과합니다. 따라서 이러한 장치들이 대규모로 보급되기 위해서는 크기를 합리적인 수준으로 줄여야 할 것입니다.

열은 양자 상태를 파괴한다

큐비트와 통신하는 데 사용되는 모든 레이저 에너지는 상당한 열을 발생시키기 때문에 또 다른 문제입니다. 열은 컴퓨터의 구성과 관계없이 항상 골칫거리였습니다. 특히 양자 컴퓨터는 계산을 수행하기 위해 매우 불안정한 양자 상태를 유지해야 하므로 극저온 냉각이 필수적입니다. 결과적으로 열은 이러한 장치를 작동 불능 상태로 만들 수 있습니다.

획기적인 발전: CMOS 호환 광자 회로

이 연구는 "CMOS 공정으로 제작된 광자 회로에서 가시광선의 기가헤르츠 주파수 음향광학 위상 변조"게재됨"¹ 학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 발표된 이 논문은 광학 양자 칩을 생산하는 완전히 새로운 접근 방식을 소개합니다.

많은 사람들은 이 새로운 공정을 광자 컴퓨터 혁명을 향한 첫걸음으로 보고 있습니다. 머리카락보다 100배나 얇은 이 장치는 모듈형 기술을 통합하여 새로운 차원의 효율성과 안정성을 구현합니다.

이 특수 제작된 기가헤르츠 주파수 음향광학 위상 변조기는 압전 변환기와 광자 도파관을 결합하여 파장 규모의 구조를 유지하면서 크기를 최소화합니다.

광 위상 변조기

업그레이드된 광학 위상 변조기는 마이크로파 주파수를 이용하여 레이저 광을 제어할 수 있습니다. 마이크로파는 빛을 여기시켜 초당 수십억 번 진동하게 함으로써 정밀한 튜닝을 가능하게 할 뿐만 아니라 안정성과 효율성도 향상시킵니다. 특히, 이 음향광학 변조기는 압전 변환기에 장착된 광자 도파관을 통합하고 있습니다.

CMOS 제조 기술을 통해 대량 생산이 가능해졌습니다.

엄격한 크기 요구 사항을 충족하기 위해 엔지니어들은 200mm 웨이퍼에 소자를 제작한 후 이를 120개의 개별 칩으로 절단하기로 결정했습니다. 이 공정에는 압전 광기계식 질화알루미늄-SiNx 플랫폼이 사용되었으며, 이를 통해 엔지니어들은 위상 변조를 활용하여 730nm 레이저 입력에 기가헤르츠 주파수 대역의 측파대를 생성할 수 있었습니다.

더욱 인상적인 것은 그들이 표준 칩 제조 기술을 사용하여 이러한 장치를 만들었다는 점입니다. 이는 향후 대량 생산이 가능하다는 것을 의미하며, 더 많은 사람들이 양자 컴퓨팅에 접근할 수 있도록 길을 열어줍니다.

엔지니어들은 자신들의 접근 방식에 대해 논의하면서 CMOS 제조 방식이 확장 가능한 기술의 정점이며, 이를 양자 칩 개발 수단으로 활용하는 것이 양자 칩의 추가 보급에 매우 중요하다고 강조했습니다.

구체적으로, 엔지니어들은 이 기술이 스마트폰, 노트북, 그리고 우리가 매일 사용하는 다른 첨단 기기들을 비롯한 많은 기기들을 가능하게 만든 방식에 대해 논의했습니다. 또한 이 기술이 어떻게 확산에 기여했는지, 그리고 미래의 양자 기반 기기에도 어떻게 같은 역할을 할 것인지에 대해 설명했습니다.

출처 - 자연 통신

이중 모드 작동: 광학식 및 전기기계식

특히, 광 위상 변조기는 두 가지 모드로 작동할 수 있습니다. 첫 번째는 회로 상의 광자 도파관을 통해 빛을 전파하고 안내하는 전파 광 모드입니다. 이 방식은 얽힘 분배, 라우팅 및 결맞음을 지원하므로 대부분의 동작에 필수적입니다.

두 번째 모드는 나노구조에 마이크로파를 가하여 압전 구동을 발생시키는 전기적으로 여기되는 호흡 모드 기계적 공진입니다. 이 마이크로파는 광자 진동 속도와 광장을 변화시킵니다. 특히, 이 모드는 높은 광 출력을 지원하므로 고급 양자 컴퓨팅에 이상적입니다.

성능 벤치마크: 안정성 및 효율성

엔지니어들은 칩의 출력을 테스트하기 위해 무선 주파수 스펙트럼 분석기를 사용하여 여러 가지 테스트를 수행했습니다. 이를 위해 연구팀은 레이저 광원과 광섬유 간섭계가 연결된 로봇 팔에 칩을 장착했습니다.

장치의 다른 한쪽 끝은 음향광학 주파수 변환기(AOFS)에 연결되었습니다. 엔지니어들은 빛을 장치의 양쪽 끝을 통과시킨 다음 50/50 방향성 결합기를 사용하여 다시 결합했습니다. 이를 통해 광자가 스펙트럼 분석기로 향하게 되어 정확도가 향상됩니다.

새로운 칩은 730nm의 광출력을 달성했는데, 이는 엔지니어들이 설정한 500mW 목표를 뛰어넘는 수치입니다. 또한, 연구팀은 소자의 기하학적 구조를 조정하여 광기계적 상호작용을 더욱 향상시킬 수 있었습니다. 이 테스트를 통해 2.31GHz 주파수의 80mW 마이크로파만을 사용하여 최대 4.85rad의 변조 깊이를 구현할 수 있음을 확인했습니다.

놀랍게도, 이 장치는 현재까지 나온 칩 중 가장 낮은 주파수 손실을 기록했습니다. 특히, 엔지니어들은 새로운 칩이 현재 사용 중인 양자 칩보다 안정성이 15배 높고 마이크로파 전력 소모 측면에서 효율이 100배 더 높다고 언급했습니다.

CMOS 제조의 주요 장점

대량 생산되는 광자 칩은 시장에 많은 이점을 가져다줄 것입니다. 우선, 대량 생산이 가능해지면서 이 기술이 소수의 전유물에서 대중적인 컴퓨팅 옵션으로 자리 잡을 수 있게 됩니다. 이러한 제조 방식은 비용을 절감할 뿐만 아니라, 엔지니어들이 수천 개의 큐비트를 통합한 비교적 소형의 양자 컴퓨터를 개발할 수 있도록 해줍니다.

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이 제조 방식은 최초로 이러한 첨단 기술의 복잡한 장치들을 완전히 똑같이 만들어낼 수 있게 해줍니다. 이는 엔지니어들이 기존의 방법을 활용하여 미래의 양자 컴퓨터 설계안을 개발하고 대중에게 보급할 수 있게 된다는 것을 의미합니다.

작은 크기

이 설계 방식의 가장 큰 장점 중 하나는 크기가 작다는 것입니다. 사람 머리카락보다 100배나 작은 이 칩은 강력한 양자 컴퓨터 설계를 지원할 수 있습니다. 이 칩들은 IBM의 양자 컴퓨터처럼 수천 개의 큐비트를 통합할 수 있습니다. (IBM )콘도르 칩은 1,121개의 큐비트를 처리할 수 있지만, 더 큰 라미네이트로 인해 훨씬 ​​더 큰 폼팩터를 가지고 있습니다.

고성능

놀랍게도, 이 칩들은 오늘날 가장 최첨단 컴퓨터와 동등한 수준의 컴퓨팅 성능을 제공할 수 있습니다. 500mW 이상의 광 출력을 지원할 수 있는데, 이는 현재 고성능 양자 컴퓨팅의 최고 수준입니다. 또한, 새로운 칩 설계는 훨씬 적은 전력을 소비하면서도 더 높은 광 출력과 정밀도를 지원합니다.

보다 효율적인

이 방식에 사용된 위상 변조는 기존 방식에 비해 훨씬 적은 마이크로파 전력을 필요로 합니다. 특히, 엔지니어들은 자신들의 장치가 80배 적은 에너지로 양자 연산을 수행할 수 있다고 언급했습니다. 결과적으로 열 발생량이 훨씬 적어 더 많은 칩과 결합하여 더욱 강력한 장치를 만들 수 있습니다.

실제 응용 사례: 센싱 및 네트워킹

이 기술에는 여러 가지 응용 분야가 있습니다. 가장 очевид한 용도는 미래 양자 컴퓨터 설계 지원입니다. 이 고성능 칩은 크기가 작아 밀집 배치가 가능하며, 에너지 효율도 높아 이러한 구성에서 과열 문제를 일으키지 않습니다.

양자 감지

양자 센서는 기존 센서에 비해 훨씬 높은 정확도를 제공합니다. 이는 중첩, 얽힘, 압축 등의 현상을 통해 가능해집니다. 이러한 기술 덕분에 양자 센서는 자기장, 중력, 시간, 온도 등의 변화를 정밀하게 측정할 수 있습니다. 이러한 칩은 양자 센서의 가격 경쟁력을 높이는 데 기여할 수 있습니다.

양자 네트워킹

또 다른 핵심 응용 분야는 양자 네트워킹입니다. 이 기술은 양자 얽힘을 활용하여 높은 전송 속도로 데이터를 통신합니다. 구체적으로, 양자 벨 쌍과 순간 이동을 이용하여 복제 없이 상태를 전송합니다. 이 기술의 목표는 언젠가 양자 인터넷을 위한 인프라를 구축하는 것입니다.

상용화 경로: 7~10년 로드맵

이 기술이 일반에 보급되기까지는 약 7~10년이 걸릴 것으로 예상됩니다. 무엇보다 중요한 것은 이 제조 기술이 양자 기술 도입을 촉진하는 원동력이 될 것이라는 점이지만, 우선 완벽한 기술로 발전시켜야 합니다. 하지만 적합한 제조업체와 협력하게 되면, 저비용 전략을 통해 양자 기술의 추가적인 통합과 도입을 뒷받침할 수 있을 것입니다.

연구팀 및 자금 지원

콜로라도 대학교 볼더 캠퍼스는 샌디아 국립 연구소의 참여 하에 광자 칩 연구를 주관했습니다. 특히 Nils T. Otterstrom, Matt Eichenfield, Jacob M. Freedman, Matthew J. Storey, Daniel Dominguez, Andrew Leenheer, Sebastian Magri가 이 연구에 기여했습니다.

본 연구는 미국 에너지부의 양자 시스템 가속기 프로그램(국립 양자 이니셔티브 과학 연구 센터에서 주관)을 통해 재정적 및 물질적 지원을 받았습니다.

향후 연구 목표

이제 연구팀은 기존 성능을 뛰어넘는 집적 광자 회로 개발에 집중할 것입니다. 연구팀은 칩 주파수 생성 및 필터링 기능과 펄스 형성 방식을 개선하여 성능을 더욱 향상시키고자 합니다.

또한, 엔지니어들은 자신들의 제조 방식을 실전에 적용하는 데 도움을 줄 전략적 파트너를 찾을 것입니다. 이를 위해서는 주요 CMOS 제조 시설에 접촉하여 새로운 칩 설계에 필요한 설비 일부를 확보해야 합니다.

주목해야 할 최고의 양자 컴퓨팅 관련 주식

양자 컴퓨팅 분야는 끊임없이 확장되고 있으며, 경쟁은 매달 심화되고 있습니다. 오늘날 최고의 양자 컴퓨터 설계자, 칩 제조업체 및 프로그래머들은 이 기술을 새로운 차원으로 끌어올리며 컴퓨팅 성능 혁신의 가능성을 열어가고 있습니다. 이러한 혁명의 최전선에 서 있는 한 기업을 소개합니다.

IonQ(IONQ): 트랩 이온 시스템 분야의 선도 기업

이온 Q (IONQ ) 2015년에 양자 기술 발전을 위해 설립된 이 회사는 양자 컴퓨팅 전문가인 크리스토퍼 먼로와 김정상 박사가 공동 창립했습니다. 특히 먼로는 양자 연구 분야에서 중요한 역할을 해왔으며 업계의 선구자로 인정받고 있습니다.

IonQ는 Deutsch-Jozsa 알고리즘을 실행하는 최초의 5 이터븀 이온 칩을 개발하는 등 기술 혁신에 기여했습니다. 또한 최초의 상용 트랩 이온 QCaaS를 출시했습니다. 이러한 개발 덕분에 회사는 6억 3,600만 달러의 투자를 유치하는 데 성공했습니다.

현재 이 회사는 32큐비트 랙 마운트 시스템인 Aria를 비롯한 여러 고성능 양자 제품을 제공하고 있습니다. 또한 AWS/Azure/Google Cloud 및 기타 주요 클라우드 제공업체와 전략적 파트너십을 확보했습니다.

오랜 경험을 보유한 신뢰할 수 있는 양자 컴퓨팅 제공업체를 찾는다면 IonQ에 대해 자세히 알아보는 것이 좋습니다. 현재 이 회사의 시가총액은 16.3억 달러입니다. 특히 최근 주가는 84.64달러에서 17.88달러까지 변동성을 보였습니다.

IonQ(IONQ) 주식 최신 뉴스 및 실적

맺음말

광자 칩의 대량 생산 방법을 성공적으로 개발하는 것의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 이 기술은 양자 컴퓨팅 확장의 핵심이며, 일반에 공개되기 전에 반드시 완성되어야 합니다. 이번 최신 개발은 양자 장치 제작 비용을 절감하여 향후 시장에 안정적인 칩 공급을 보장할 것으로 기대됩니다.

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참고자료

^{1. Freedman, JM, Storey, MJ, Dominguez, D., Leenheer, A., Magri, S., Otterstrom, NT, & Eichenfield, M. (2025). CMOS로 제작된 광자 회로에서 가시광선의 기가헤르츠 주파수 음향광학 위상 변조. Nature Communications, 16(1), 10959. https://doi.org/10.1038/s41467-025-65937-z}