나노기술 및 정책 정보

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양자 컴퓨터 경쟁이 본격화되고 있으며, 독일은 오랫동안 기초연구 분야에서 세계적 리더 중 하나였음. Forschungszentrum Jülich와 반도체 제조업체 Infinion, Fraunhofer-Gesellschaft (IAF, IPMS) 기관, 라이프니츠 협회 (IHP, IKZ), Regensburg 및 Konstanz 대학, 양자 스타트 업 HQS 간 협력의 결과는 산업 생산에 적용하는 것을 목표로 함.

목표는 전자의 ‘셔틀 링’을 기반으로 하는 독일에서 제조된 반도체 양자 프로세서이며 독일에서 사용 가능한 기술로 달성될 것임. 연방 교육 연구부(BMBF)에서 750만 유로 이상을 지원하는 QUASAR 프로젝트는 향후 4년 동안 양자 프로세서의 산업 생산을 위한 기반을 마련하는 것을 목표로 함.

양자 컴퓨터는 대도시 지역의 교통 흐름을 제어하거나 원자 수준에서 물질을 시뮬레이션하는 것과 같은 특정 문제에서 기존 슈퍼 컴퓨터를 훨씬 능가할 수있는 잠재력을 가지고 있음. 그러나 어떤 접근 방식이 양자 컴퓨터 간의 경쟁에서 이길지는 아직 불분명함. 양자 컴퓨터의 가장 작은 단위인 초전도 큐비트에 대한 실험은 현재 가장 발전된 것임.

Jülich에서는 반도체 기반 및 초전도체 기반의 큐비트 유형을 모두 조사하고 있으며, 장기적으로 자유롭게 접근할 수 있는 과학용 양자 컴퓨터를 구현하고자 함. QUASAR 프로젝트는 유럽 양자 플래그십 또는 양자 물질 연구와 같은 다른 활동과 결합하여 이 프로젝트의 중요한 단계가 될 것임.

실리콘 전자 스핀 큐비트는 비교적 견고한 양자 특성을 갖고 초전도 양자 비트보다 크기가 훨씬 작기 때문에 반도체 큐비트에 대한 유망한 시스템 중 하나임. 큰 장점은 그들의 생산이 실리콘 프로세서의 생산과 대체로 호환된다는 것이고, 이것은 원칙적으로 이미 제조 공정에 대한 많은 경험이 있음을 의미한다고 JARA 연구소의 프로젝트 코디네이터인 Hendrik Bluhm 교수가 말함. Jülich의 양자 정보 한 가지 예는 드레스덴의 Infineon으로, 이 프로젝트에서 독일 반도체 제조업체는 산업 제조를 위한 부품 설계를 적용하는 생산 전문 지식을 지원함.

지금까지는 기존 컴퓨터 칩만큼 쉽게 양자 칩을 확장할 수 없었음. 한 가지 문제는 기하학적 제약으로, 큐비트는 일반적으로 서로 매우 가깝게 연결되어 있어야함. 따라서 지금까지 반도체 큐비트는 주로 서로 근접한 두 개 이하의 결합된 큐비트가 있는 구성 요소에서 시연되었음. 그러나 확장 가능한 아키텍처의 경우 양자 칩에 더 많은 공간이 필요함.

거리를 늘리기 위해 Jülich와 JARA 공동 연구원은 다른 연구 파트너와 함께 ‘양자 버스’라는 것을 개발함. 이 특수한 상호 연결 요소를 사용하면 개별 큐비트 사이의 거리를 최대 10마이크로 미터까지 효율적으로 연결할 수 있음. 실리콘 큐비트에서 양자 정보는 특수한 나노 반도체 구조인 양자점에 위치한 전자의 스핀에 의해 인코딩됨. ‘양자 버스’는 이러한 양자점의 전자를 포착하여 양자 정보를 잃지 않고 제어된 방식으로 전송할 수 있음.

전자 교환을 ‘셔틀 링’이라고도 하며, 실험실에서 실험 샘플은 이미 유망한 결과를 보여주고 있음. 이제 Jülich 연구진은 장치의 설계를 산업 제조 공정에 적용하고자 함.

문제 중 하나는 요구되는 재료 품질 수준인데, 이는 기존의 컴퓨터 칩 생산보다 이 응용 분야에서 훨씬 더 높음. 또한, 칩 제어 시스템의 소형화도 중요함. 그러나 원칙적으로 복잡한 회로에 대한 이러한 접근 방식에서 큰 잠재력을 볼 수 있음.

QUASAR 프로젝트는 2025년 1월까지 수행되고, 다음 단계는 후속 프로젝트에서 구현될 예정임. Jülich 사용자를 통해 Jülich 슈퍼 컴퓨팅 센터의 모듈식 HPC 환경에 통합될 약 25개의 결합된 큐 비트가 있는 데모를 구축하는 것임.