네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)에 발표된 새로운 연구에 따르면 보스턴 대학, 캘리포니아 대학, 버클리 대학, 노스웨스턴 대학의 연구원들은 양자 기술 분야 최초로 단일 반도체 칩에 전자, 광자 및 양자 부품을 통합하는 통합 시스템을 개발했습니다. 연구팀의 연구는 전통적인 전자소자에 흔히 사용되는 반도체 제조공정을 활용해 '양자광공장'을 대량생산하는 방법을 제시한다.
새로운 칩은 표준 45nm 반도체 프로세스를 사용하여 양자 광원과 전자 컨트롤러를 통합합니다. 이 접근 방식은 전통적으로 실험실 환경에 국한된 손으로 제작한 장치에 의존해 왔던 컴퓨팅, 통신 및 감지 분야에서 양자 시스템을 확장할 수 있는 길을 열어줍니다.
“양자 컴퓨팅, 통신 및 감지는 개념에서 현실화까지는 아직 수십 년이 걸립니다.”라고 보스턴 대학교 전기 및 컴퓨터 공학 부교수이자 이번 연구의 수석 저자인 밀로시 포포비치(Miloš Popović)는 말했습니다. "이것은 그 길에서 작은 발걸음이지만 상업용 반도체 파운드리에서 반복 가능하고 제어 가능한 양자 시스템을 구축할 수 있다는 것을 보여주기 때문에 중요한 단계입니다."
연구의 핵심인 칩은 마이크로링 공진기로 알려진 일련의 양자 광원 역할을 합니다. 각 장치는 직경이 1mm 미만이며 양자 작업의 핵심 리소스인 밀접하게 상관된 광자 쌍을 생성할 수 있습니다.
칩이 포함된 패키지 회로 기판은 실험 중에 탐지 스테이션의 현미경 아래에 배치되었습니다.
마이크로링 공진기는 입사 레이저 광과 동기화하여 작동하지만 성능은 약간의 온도 변동이나 제조 변경에도 매우 민감합니다. 이는 공진기가 지원하는 섬세한 양자 프로세스를 쉽게 방해할 수 있는 요소입니다.
이러한 과제를 해결하기 위해 연구원들은 마이크로링 공진기를 실시간으로 안정화할 수 있는 통합 제어 시스템을 개발했습니다. 칩에는 병렬로 작동할 수 있는 12개의 공진기가 포함되어 있으며, 각 공진기는 내장된 포토다이오드로 모니터링되고 레이저와 정렬을 추적합니다. 온칩 히터와 논리 회로는 온도 변화나 기타 장애가 성능에 영향을 미칠 때 공진기를 자동으로 조정합니다.
양자 측정을 주도한 Northwestern 박사과정 학생 Anirudh Ramesh는 “가장 흥미로운 점은 실시간으로 양자 프로세스를 안정화하기 위해 칩에 직접 제어 기능을 내장했다는 것입니다.”라고 말했습니다. "이것은 확장 가능한 양자 시스템을 향한 중요한 단계입니다."
안정성에 대한 이러한 초점은 각 광원이 다양한 조건에서 안정적으로 작동하도록 보장하는 데 중요합니다. Boston University의 광소자 설계 박사과정 학생인 Imbert Wang은 기술적 복잡성을 강조했습니다.
"이전 작업과 달리, 핵심 과제는 상용 CMOS 플랫폼의 엄격한 한계를 유지하면서 양자 광학의 까다로운 요구 사항을 충족하도록 포토닉스 설계를 추진하는 것이었습니다. 이를 통해 전자 장치와 양자 광학을 통합 시스템으로 공동 설계할 수 있습니다."
왼쪽, 중앙, 오른쪽: 대학원생 저자 Imbert Wang, Daniel Kramnik 및 Josep Fargas, 왼쪽에서 두 번째, 오른쪽에서 두 번째: 연구의 수석 저자인 Milos Popovic 교수와 Prem Kumar 교수.
각 광원에 대한 엄격한 피드백 제어를 통해 칩은 온도 변동이나 작은 제조 차이에도 일관된 성능을 유지합니다. 전체 장치는 상용 보완 금속 산화물 반도체 공정을 사용하여 제조되었으며 GlobalFoundries 및 Silicon Valley 스타트업 Ayar Labs와 같은 업계 파트너와 협력하여 개발되었습니다.
이 프로젝트에는 심도 깊은 학제간 협력이 필요했습니다. 노스웨스턴 대학교 교수이자 양자 광학 분야의 선구자인 프렘 쿠마르(Prem Kumar)는 “이 작업에 필요한 학제간 협력은 양자 시스템을 실험실에서 확장 가능한 플랫폼으로 옮기는 데 꼭 필요한 것입니다.”라고 말했습니다. "전자공학, 포토닉스, 양자 측정 분야의 공동 노력이 없었다면 우리는 이것을 할 수 없었을 것입니다."