An ultracompact dilution refrigerator for fast quantum device characterization

양자 컴퓨터를 구축하기 위한 탐구는 시간과의 싸움이지만, 이는 초나 분으로 측정되는 종류의 시간이 아닙니다. 그것은 기계를 상상할 수 있는 가장 차가운 온도로 냉각하는 데 걸리는 시간과 일수로 측정됩니다. 양자 컴퓨터의 섬세한 회로가 작동하게 하려면, 원자의 무질서한 흔들림이 거의 멈추는 상태인 절대 영도보다 아주 미세하게 높은 온도까지 냉각해야 합니다. 이 극한의 추위는 보통 '희석 냉동기(dilution refrigerator)'라고 불리는 특수 기계를 사용하여 달성되며, 이 기계는 초강력 아이스박스처럼 작동합니다. 지난 10년 동안 이 기계들은 양자 연구의 중추 역할을 해왔으며, 과학자들이 그들의 양자 비트, 즉 큐비트가 정보가 사라지기 전까지 얼마나 오래 유지할 수 있는지 관찰할 수 있게 해주었습니다. 그러나 전통적인 기계들은 거대하고 무거우며 사용하기에 믿을 수 없을 정도로 느립니다. 과학자가 새로운 설계를 테스트한 후에는, 기계를 다시 데우고 샘플을 교체한 뒤 다시 냉각하기까지 꼬박 하루 또는 그 이상의 시간을 기다려야 합니다. 이 느린 주기는 병목 현상을 만들어내어, 연구자들이 단 하나의 새로운 아이디어를 테스트하기 위해 몇 주 또는 몇 달을 기다리게 함으로써 발견의 속도를 급격히 늦춥니다.

프랑스와 독일의 연구팀은 이제 이 병목 현상을 깨뜨릴 해결책을 구축했습니다. 그들은 무게가 고작 3킬로그램, 즉 대형 노트북 정도의 질량에 불과하고 폭이 10센티미터인 원통 안에 들어가는 매우 작은 희석 냉동기를 제작했습니다. 이 초소형 기계는 작은 크기에도 불구하고, 초전도 양자 소자를 작동시키기에 충분히 차가운 70밀리켈빈의 기저 온도로 샘플을 냉각할 수 있습니다. 더 중요한 것은, 이 기계가 전례 없는 속도로 이를 수행한다는 점입니다. 비어 있을 때, 이 기계는 냉각, 가열, 그리고 다시 상온으로 돌아오는 전체 주기를 단 1시간 12분 만에 완료할 수 있습니다. 양자 칩을 측정하는 데 필요한 복잡한 배선이 장착된 상태에서도, 전체 과정은 2시간 6분이 걸립니다. 이는 오늘날 이 분야를 지배하고 있는 기존 시스템과 비교했을 때 20배나 단축된 시간입니다.

연구진은 단순히 더 빠른 기계를 만든 것이 아니라, 이러한 속도가 성능의 저하를 초ق하지 않는다는 것을 증명했습니다. 이들의 발명품을 테스트하기 위해, 그들은 열과 전기적 노이즈에 매우 민감한 것으로 알려진 '플럭소니움(fluxonium)'이라는 유형의 초전도 큐비트를 포함한 칩을 설치했습니다. 표준 실험실 환경에서 이러한 칩은 거대한 수 톤 규모의 냉장고에서 테스트될 것입니다. 여기에서 연구팀은 이 칩을 자신들의 소형 장치에 직접 배치했습니다. 그들은 큐비트의 완전한 에너지 구조를 매핑하고, 정보 저장 시간, 그리고 제어의 정확도를 측정할 수 있었습니다. 결과는 놀라웠습니다. 연구팀은 양자 연산이 얼마나 정확하게 수행되는지를 나타내는 척도인 단일 큐비트 게이트 충실도(fidelity)를 최대 99%까지 달성했습니다. 이 정밀도는 기계의 작동 온도에서 물리적으로 가능한 한계치에 도달한 것으로, 컴팩트한 설계가 실험을 망칠 만한 숨겨진 오류나 노이즈를 유발하지 않았음을 입증합니다.

이 실험의 성공은 기계의 내부 구조를 영리하게 재설계한 것에 달려 있습니다. 가장 차가운 부분이 바닥에 위치하는 전통적인 레이아웃 대신, 연구진은 기하학적 구조를 반전시켜 '혼합 챔버(mixing chamber)'라고 불리는 가장 차가운 단계를 맨 꼭대기에 배치했습니다. 이 설계는 과학자들이 좁고 절연된 튜브 깊숙이 손을 넣을 필요 없이 기계의 가장 차가운 부분에 직접 접근할 수 있게 해줍니다. 이는 샘플을 장착하고 구성 요소를 교체하는 과정을 단순화하며, 이는 신속한 테스트에 필수적입니다. 이 기계는 극저온에서 액체가 되는 두 가지 동위원소의 헬륨 혼합물을 사용하여 냉각 효과를 생성합니다. 기계 내부의 재료를 최소화하고 이 냉각 가스의 흐름을 효율화함으로써, 연구팀은 시스템이 기존의 대형 기계들보다 훨씬 더 빠르게 열을 방출할 수 있도록 했습니다. 전체 장치는 매우 가볍고 작아서 고출력 자석의 좁은 액세스 포트 안에 배치하거나, 별도의 중량물 기초 없이도 다른 실험들과 함께 사용할 수 있습니다.

이 기계가 속도와 크기 면에서 경이로운 성과를 보여주지만, 연구진은 그 한계에 대해서도 정직하게 밝혔습니다. 이 기계가 생성하는 냉각 능력은 표준 대형 냉장고보다 약 10배 작으며, 기저 온도 또한 약간 더 높습니다. 이는 절대적으로 가장 낮은 온도가 필요하거나 양자 정보의 가장 긴 저장 시간이 필요한 실험의 경우, 전통적인 대형 기계들이 여전히 우위에 있음을 의미합니다. 그러나 이 새로운 장치는 그 거대한 기계들을 대체하기 위한 것이 아닙니다. 대신, 이는 '고처리량 스크리닝(high-throughput screening)'을 위한 실용적인 경로를 제공합니다. 양자 하드웨어를 개발할 때, 엔지니어들은 종로 어떤 설계가 가장 잘 작동하는지 확인하기 위해 수십 개의 약간씩 다른 설계들을 테스트해야 하는 경우가 많습니다. 기존의 기계를 사용하면 단 하나의 설계를 테스트하는 데 일주일이 걸릴 수 있어 빠른 반복 작업이 불가능합니다. 이 새로운 장치를 사용하면 연구자는 새로운 설계를 테스트하고, 결과를 분석한 뒤, 몇 시간 내에 다음 테스트를 시작할 수 있습니다. 이러한 신속한 피드백 루프는 재료와 회로 설계의 개선을 훨씬 빠르게 하여 엔지니어링 프로세스 전체를 가속화합니다.

연구팀은 또한 이 기계가 양자 칩과 통신하는 데 필요한 복잡한 전기 신호를 처리할 수 있음을 입증했습니다. 그들은 신호가 깨끗하게 유지되고 노이즈로부터 자유로울 수 있도록, 서로 다른 온도 단계에 고정된 동축 케이블을 통해 마이크로파 신호를 전달했습니다. 공간이 협소하여 설치할 수 있는 필터의 수가 제한되었음에도 불구하고, 시스템 노이즈는 큐비트의 상태를 높은 정밀도로 읽어낼 수 있을 만큼 낮게 유지되었습니다. 측정 결과, 큐비트는 이론이 예측한 대로 정확하게 작동했으며, 그 성능은 기계 자체의 품질이 아닌 환경의 온도에 의해 제한되었습니다. 이는 컴팩트한 설계가 데이터의 품질을 저해하지 않는다는 것을 확인시켜 주며, 향로 사용을 위한 이 접근 방식의 타당성을 입증하는 중요한 발견입니다.

앞으로 연구진은 추가적인 개선을 위한 명확한 경로를 보고 있습니다. 그들은 향에 버전에서는 기저 온도를 더 낮추고 노이즈 차폐를 강화할 수 있으며, 이를 통해 성능을 가장 큰 시스템의 수준에 더욱 가깝게 끌어올릴 수 있다고 언급했습니다. 또한 이 기계는 운영 비용이 저렴하고 여러 대의 유닛을 동시에 배치할 수 있을 만큼 작다는 점을 강조했습니다. 이는 모든 사람이 사용하기 위해 하나의 거대한 기계가 돌아가기를 기다리는 대신, 각기 다른 양자 장치를 테스트하는 여러 대의 작은 기계들이 병렬로 작동하는 새로운 형태의 워크플로우를 가능하게 합니다. 실험실을 넘어, 이 시스템의 단순함과 저렴한 비용은 교육용 도구로서도 이상적이며, 학생들이 수백만 달러 규모의 시설 없이도 초전도 양자 기술을 직접 경험할 수 있게 해줍니다. 한 번에 며칠이 걸리던 과정을 단 몇 시간으로 단축함으로써, 이 초소형 냉동기는 미래의 양자 컴퓨터 개발을 가속화할 수 있는 실질적인 경로를 제시합니다.