Transistors to transmons: large-scale cryogenic CMOS control of superconducting qubits

기술 요약: 트랜지스터에서 트랜스몬으로 – 초전도 큐비트의 대규모 저온 CMOS 제어

문제 정의
실용적이고 결함 허용(fault-tolerant) 가능한 초전도 양자 컴퓨터를 구현하려면 물리적 큐비트 수를 수천 개에서 수백만 개로 확장해야 한다. 현재의 제어 아키텍처는 방대한 배선으로 연결된 랙 기반의 상온 전자 장치(RTE)에 의존한다. 큐비트 수가 증가함에 따라, 이러한 방식은 배선 밀도, 시스템 점유 공간, 비용 및 열 부하와 관련하여 심각한 병목 현상을 일으킨다. 특히, 2-큐비트 제어 채널(플럭스 바이어스 라인)의 수는 단일 큐비트 RF 구동 채널의 수를 크게 상회하며, 이로 인해 상온 랙과 상호 연결 장치의 급증이 대규모 통합의 주요 장벽이 되고 있다.

방법론
저자들은 이러한 스케일링 문제를 해결하기 위해 온도 단계별로 기능을 분할하는 하이브리드 양자 제어 아키텍처를 제시한다.

• 하이브리드 아키텍처: 단일 큐비트 제어, 판독(readout) 및 클래식 프로세싱은 상온에 유지되는 반면, 고밀도 2-큐비트 플럭스 제어는 저온 CMOS(cryo-CMOS) 애플리케이션 특화 집적 회로(ASIC)를 사용하여 극저온 환경으로 이동된다.
• Cryo-CMOS 서브시스템: 시스템은 14nm FinFET 기술로 제작된 맞춤형 설계의 플럭스 제어 ASIC(FCA)을 활용한다. 각 16채널 FCA는 고정 오프셋(static-offset), 메인(main), 파인(fine) DAC로 구성된 트리플 DAC 아날로그 프런트 엔드를 포함하는 디지털 마이크로프로세서를 통합하여 고정밀 플럭스 바이어스 파형을 생성한다.
• 열 영역: FCA는 희석 냉동기의 50 K 및 4 K 플레이트 사이에 위치한 전용 중간 온도 단계("CTRL-단계")에 장착되며, 7 K에서 20 K 범위에서 작동한다. 이 배치는 밀리켈빈(mK) 단계에 비해 가용 냉각 능력이 더 높으면서도 충분한 노이즈 성능을 유지할 수 있는 이점을 활용한다.
• 통합: FCA는 컴팩트한 극저온 제어 모듈(CCM)로 패키징되어 고밀도 플렉스 인터커넥트를 통해 156-큐비트 Heron R2 양자 프로세서에 연결된다. 시스템은 극저온 및 상온 컨트롤러가 조정된 백엔드로 나타나는 통합 소프트웨어 스택을 사용하며, 이를 통해 Qiskit과 같은 표준 도구를 수정 없이 사용할 수 있다.
• 벤치마킹: 성능 평가는 무작위 벤치마킹(RB), 순도 벤치마킹(PB) 및 레이어 충실도(LF) 프로토콜을 사용하여 수행되었다. 비교는 동일한 냉각 과정 중에 기존의 상온 전자 장치(RTE)로 제어되는 동일한 프로세서의 서브셋과 직접적으로 이루어졌다.

주요 결과

• 게이트 충실도: cryo-CMOS 서브시스템은 $10^{-3}$ 수준의 2-큐비트 Controlled-Z (CZ) 게이트 오류를 달성했다. 95개 제어 커플러 전체의 중앙값 게이트당 오류(EPG)는 $2.2 \times 10^{-3}$이었으며, 최상의 개별 RB 결과는 $8.42 \times 10^{-4}$였다.
• 성능 등가성: 일치된 게이트 설정 및 펄스 균질화(pulse equalization) 하에서, cryo-CMOS 서브시스템은 동일한 냉각 기간 동안 상온 전자 장치와 통계적으로 구별할 수 없는 2-큐비트 게이트 충실도를 입증했다.
• 열적 안정성: cryo-CMOS ASIC 온도를 7 K에서 20 K까지 스윕하는 동안 게이트 성능은 안정적으로 유지되었다. 최적의 충실도를 유지하기 위해 재교정(recalibration)이 필요했으나, 시스템은 상승된 작동 온도에 따른 결맞음(coherence)이나 게이트 충실도의 측정 가능한 저하를 보이지 않았다.
• 노이즈 특성: 노이즈 분석 결과, 전자 장치 유도 플럭스 노이즈는 현재의 게이트 충실도를 제한하는 결정적 요인이 아님이 밝혀졌다. 메인 DAC의 통합 노이즈 대 신호 비율은 $\le 100$ ppm으로 측정되었으며, 이는 미래의 결함 허용 운용(목표 오류율 $10^{-5}$ 미만)을 위한 예상 요구 사항을 충족한다.
• 장기 안정성: 40시간 동안의 연속적인 2-큐비트 RB 결과, 일일 약 $1 \times 10^{-4}$ EPG의 드리프트가 관찰되었으며, 이는 단일 큐비트 RF 서브시스템에서 관찰된 드리프트와 일치하여 cryo-CMOS 전자 장치의 견고함을 확인시켜 주었다.
• 확장성: 열 모델링에 따르면, 중간 온도 영역(20 K 근처)은 열 제한을 초과하기 전까지 단일 크라이오스탯 내에서 수백 개의 플럭스 제어 채널을 지원할 수 있어, 랙 기반 플럭스 제어와 비교했을 때 시스템 공간 점유 면에서 10배의 개선을 제공한다.

의의 및 주장
본 논문은 cryo-CMOS 플럭스 제어가 대규모 초전도 양자 시스템을 위한 실용적이고 확장 가능한 기초임을 입증한다. 저자들은 이 하이브리드 아키텍처가 제어 채널 밀도의 확장을 상온 배선 및 랙 공간의 제약으로부터 성공적으로 분리한다고 주장한다. 고충실도 게이트 동작을 (감쇄 없이) 중간 극저온 온도(7–20 K)에서 유지할 수 있음을 입증함으로써, 본 연구는 더 조밀하고 컴팩트한 양자 프로세서를 향한 경로를 검증한다. 결과적으로, 미래의 초전도 양자 시스템은 모든 전자 장치가 반드시 밀리켈빈 온도에서 작동해야 한다는 가정 대신, 배선 요구 사항과 열적 비용에 따라 온도 단계별로 제어 기능을 할당함으로써 이익을 얻을 수 있음을 시사한다. 이 접근 방식은 결함 허용에 필요한 수백만 개의 큐비트 스케일링을 저해할 수 있는 인프라 병목 현상을 해결한다.