Wireless millikelvin interconnects for superconducting quantum hardware

오늘날의 슈퍼컴퓨터가 수천 년 걸려 해결할 문제를 풀어낼 수 있는 미래를 상상해 보십시오. 이것이 바로 양자 컴퓨터입니다. 양자 컴퓨터는 믿을 수 없을 정도로 강력하지만, 동시에 믿을 수 없을 정도로 취약합니다. 이들의 아주 작은 뇌 세포(큐비트라고 불리는)가 작동하려면, 희석 냉동기라는 거대하고 첨단 기술이 집약된 냉각기 내부에서 우주 공간보다 더 차가운 온도로 유지되어야 합니다. 현재 이 얼어붙은 뇌를 외부의 따뜻한 상온 제어 장치와 연결하는 것은 악몽과 같습니다. 마치 수천 개의 작고 민감한 전선을 얼음 덩어리에 꽂으려는 것과 같습니다. 전선은 너무 많은 공간을 차지하며, 열을 전달하여 실험을 망치는 얼음 덩어리를 녹여버립니다. 과학자들은 물리적인 전선 없이 신호를 보낼 수 있는 방법을 간절히 찾고 있으며, 대신 보이지 않는 라디오파를 사용하는 것을 희망하고 있습니다. 하지만 문제가 하나 있습니다. 금속 상자 안으로 라디오파를 보내는 것은 까다로운 일입니다. 파동이 마치 즐거운 집의 거울처럼 벽에 부딪혀 튕겨 나가면서, 정교한 양자 뇌를 혼란스럽게 할 수 있는 무질서한 노이즈의 소용돌이를 만들어낼 수 있기 때문입니다.

이 논문은 이 얼어붙고 거울이 가득한 세계로 과감하게 발을 들여, 무선 신호가 실제로 디스토션(왜곡) 없이 초전도 양자 하드웨어와 대화할 수 있는지 확인하고자 합니다. 연구진은 실제 희석 냉동기 내부에서 '테스트 드라이브'를 실시하여, 기존 방식인 물리적 전선 사용법과 새로운 방식인 무선 링크 사용법을 비교했습니다. 그 결과, 놀랍게도 무선 방식이 가장 중요한 작업, 즉 양자 장치의 상태를 읽어내는 데 있어 기존의 와이어 방식만큼이나 잘 작동한다는 것을 발견했습니다. 장치의 심장 박동은 일정하고 정확하게 유지되었습니다. 그러나 연구진은 또한 냉동기의 금속 벽이 드럼처럼 작용하여, 일부 흩어진 신호들이 주변을 튕겨 다니며 와이어를 사용할 때는 발생하지 않는 미세한 '정전기'나 간섭을 만들어낸다는 사실도 발견했습니다. 연구진은 특수 흡음재를 사용하여 이 메아리를 줄일 수는 있었지만, 틈새를 통해 몰래 들어오는 흩어진 신호들을 완전히 막을 수는 없었습니다. 이는 무선 연결이 앞으로 나아갈 수 있는 유효한 경로임을 입증하는 동시에, 엔지니어들에게 단순히 부품을 교체하는 것이 아니라 와이어, 상자, 그리고 신호를 하나의 시스템으로 함께 설계해야 한다는 경고를 던져줍니다.

거대한 실험: 극한의 냉동실 속 와이어 vs 파동

연구팀은 양자 컴퓨터를 제어 장치와 연결하는 엉클어진 전선 뭉치를 단순한 마이크로파 빔(라디오파의 일종)으로 대체할 수 있는지 확인하고 싶었습니다. 이를 테스트하기 위해, 그들은 냉동기의 차가운 단계에 있는 구멍을 통해 집중된 마이크로파 빔을 쏠 수 있는 특별한 '송신기(TX)' 및 '수신기(RX)' 모듈을 제작했습니다. 이것은 마치 레이저 포인터를 사용하여 목표물을 향해 메시지를 겨냥하는 것과 같지만, 빛 대신 약 10.6 GHz의 주파수를 가진 마이크로파를 사용했습니다.

냉동기 내부에는 초전도 공진기(양자 신호를 읽기 위한 튜닝 포크 역할을 하는, 특정 주파수에서 진동하는 아주 작은 회로)를 배치했습니다. 연구진은 두 가지 테스트를 병행했습니다. 하나는 공진기를 물리적인 구리선으로 연결한 방식(‘유선’ 또는 WRD 방식)이고, 다른 하나는 공기 중으로 신호를 쏜 방식(‘무선’ 또는 WLS 방식)입니다.

좋은 소식: 무선 신호가 작동한다!

결과는 흥미로웠습니다. 연구진이 두 방식을 비교했을 때, 무선 빔이 공진기의 '고유한(intrinsic)' 특성을 완벽하게 보존한다는 것을 발견했습니다.

• 주파수: 공진기는 두 방식 모두에서 정확히 동일한 주파수로 진동했습니다.
• 품질: 내부 품질 계수(진동이 얼마나 '순수한지'를 나타내는 척도)는 동일했습니다.
• 온도 반응: 냉동기를 20 밀리켈빈(0.020 켈빈, 절대 영도에 아주 가까운 온도)에서 3.0 켈빈까지 데우는 동안, 공진기는 와이어와 무선 빔 모두에서 열에 대해 정확히 동일한 방식으로 반응했습니다.

이는 공기 중으로 마이크로파를 보내는 것이 정교한 초전도 양자 하드웨어의 세계와 근본적으로 호환 가능하다는 것을 시사합니다. 양자 장치의 '목소리'는 맑고 정확하게 전달되었으며, 이는 우리가 이 얼어붙은 뇌와 대화하기 위해 반드시 물리적인 전선이 필요한 것은 아님을 증명합니다.

나쁜 소식: 에코 체임버(메아리 방) 효과

하지만 이야기가 완벽한 동화는 아닙니다. 주요 신호는 명확했지만, 연구진은 미묘하지만 중요한 차이점을 발견했습니다. 무선 설정은 와이어에 비해 '부하 품질 계수(loaded quality factor, 신호가 얼마나 효율적으로 전달되는지를 나타내는 척도)'가 약간 낮았습니다. 모든 온도 구간에서 일관되게 약 650 유닛 정도 낮게 나타났습니다.

이유가 무엇일까요? 연구팀은 냉동기 내부가 반사율이 높은 금속 상자라는 점을 깨달았습니다. 마이크로파 빔을 쏘았을 때, 대부분은 목표물으로 곧장 향했지만(직선 경로, Line-of-Sight), 일부는 벽, 차폐막, 금속 표면에 부딪혀 돌아다니는 '흩어진(stray)' 신호를 만들어냈습니다. 이는 마치 동굴에서 소리를 지르는 것과 같습니다. 자신의 목소리는 명확하게 들리지만, 벽에 부딪혀 돌아오는 수많은 메아리도 함께 들리는 것과 같습니다.

이를 증명하기 위해 연구진은 스위치를 이용한 트릭을 썼습니다. 수신기에서 장치로 가는 직접적인 경로를 물리적으로 차단했습니다. 직접 경로를 차단했음에도 불구하고, 장치는 훨씬 약하고 다소 왜곡된 형태의 신호를 여전히 '들었습니다'. 이는 흩어진 신호들이 의도된 빔을 통해서만이 아니라, 냉동기 내부의 벽을 타고 돌아다니며 장치에 도달했음을 확인시켜 주었습니다.

해결책: 메아리 잠재우기

이를 해결하기 위해 연구진은 차가운 단계와 모듈 주변에 특수 RF 흡수재(소리의 음향 폼처럼 라디오파를 흡수하는 재료)를 설치했습니다.

• 흡수재가 없을 때: 신호에 '물결(ripples)'과 변동이 가득하여 장치를 정확하게 읽기 어려웠습니다. 메아리가 메시지를 집어삼키고 있었습니다.
• 흡수재가 있을 때: 물결이 사라졌고, 신호는 상온에서의 보호되지 않은 테스트와 거의 동일할 정도로 매끄럽고 깨끗해졌습니다.

흡수재는 메아리를 막는 데 효과적이었지만, 모든 문제를 해결하지는 못했습니다. 흡수재를 설치했음에도 불구하고, 그 작은 일관된 품질 계수의 차이는 여전히 남아 있었습니다. 이는 우리가 큰 메아리는 막을 수 있지만, 아주 적은 양의 흩어진 복사 에너지는 의도하지 않은 경로를 통해 여전히 침투할 수 있다는 것을 알려줍니다.

이것이 미래에 의미하는 바

이 논문은 무선 양자 컴퓨팅이 해결되었다고 주장하는 것이 아니라, 그것이 가능하다는 것을 입증하는 것입니다. 핵심적인 결론은 무선 링크가 작동할 수 있지만, 금속 상자 자체가 만들어내는 '노이즈'를 관리해야 하는 새로운 종류의 과제를 던져준다는 것입니다.

저자들은 미래의 무선 양자 컴퓨터가 '공동 설계(co-design)' 접근 방식을 필요로 할 것이라고 제안합니다. 기존의 상자에 단순히 무선 안테나를 추가하는 것이 아니라, 이러한 흩어진 신호를 최소화하기 위해 안테나, 상자의 모양, 그리고 양자 칩을 모두 함께 설계해야 합니다. 이는 양자 컴퓨팅의 세계에서는 모든 표면이 중요하며, 아주 작은 추가 노이즈조차 큰 차이를 만들 수 있다는 점을 상기시켜 줍니다. 하지만 적절한 엔지니어링이 뒷받침된다면, 전선을 풀어주고 양자 컴퓨터가 자유롭게 숨 쉬게 하려는 꿈은 그 어느 때보다 현실에 가까워지고 있습니다.