수천~수만개 큐비트를 초단거리에서 일대일로 연결 가능
초저온 공정 활용해 성능 저하 없이 3차원 집적 성공
(내외방송=정지원 기자) 전력 소모와 잡음이 적으면서도 속도는 매우 빨라 수만개의 3차원 꼭지점을 일대일로 연결 가능한 기술이 개발됐다.
KAIST는 24일 "김상현 전기및전자공학부 교수 연구팀이 모놀리식 3차원 집적의 장점을 활용해 기존 양자 컴퓨팅 시스템의 대규모 큐비트(꼭지점) 구현의 한계를 극복하는 화합물 반도체 해독 소자 직접 기술을 개발했다"고 밝혔다.
지난해부터 '모놀리식 3차원 집적 초고속 소자' 연구를 활발하게 진행한 연구팀은 양자컴퓨텉 판독과 해독 소자를 3차원으로 집적할 수 있음을 처음으로 보였다.
모놀리식 3차원 집적이란 반도체 하부 소자 공정 후 상부에 박막층(아주 얇은 막)을 형성하고 상부 소자 공정을 순차적으로 진행함으로써 상하부 소자 간의 정렬을 극대화할 수 있는 기술이다.
양자컴퓨터는 큐비트 하나에 0과 1을 동시에 담아 여러 연산을 한번에 처리할 수 있는 차세대 컴퓨터다.
큐비트 수가 많은 대규모 양자컴퓨터 개발을 하기 위해서는 큐비트를 제어하고 해독하는 소자에 대한 개발이 필수적이다.
양자컴퓨터는 보통 -273℃ 내외 극저온에서 동작하는데, 큐비트 한개당 최소 하나의 제어와 해독 연결이 필요하다.
현재는 큐비트 수가 많지 않아서 기존 기술을 사용했을 때 별 문제가 발생하지 않았다.
하지만, 수천~수만개 이상의 큐비트를 활용하는 대규모 양자컴퓨팅에서는 신호 손실도 등이 높아져 구현이 매우 어려워진다.
따라서 큐비트를 제어하고 해독할 수 있는 전력 사용량과 잡음이 적으면서도 매우 속도가 빠른 극저온 소자를 큐비트와 일대일로 연결할 수 있는 시스템 구성이 중요하다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 큐비트 회로 위에 이러한 특성의 'Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체(전하 수송과 광 특성이 매우 우수한 소재)인 '고전자 이동 트랜지스터(High-Electron Mobility Transistor, HEMT)'를 3차원으로 집적해 수천~수만개의 큐비트를 아주 짧은 거리에서 일대일로 연결 가능한 구조를 제시했다.
-250℃ 이하에서 상부 제어 및 해독 소자를 집적하는 웨이퍼 본딩(아주 얇은 반도체 판을 접착) 등 초저온 공정을 활용해 하부 큐비트 회로의 성능 저하 없이 3차원 집적을 할 수 있도록 한 것이다.
연구팀은 이 뿐만 아니라 소자의 성능 면에서도 극저온에서 세계 최고 수준의 차단주파수 특성 구현을 달성했다.
김상현 교수는 "이번 기술은 향후 대규모 양자컴퓨터의 제어와 판독 회로까지 응용이 가능할 것으로 생각한다"며 "모놀리식 3차원 초고속 소자의 경우 양자컴퓨터뿐만 아니라 6G 무선통신 등 다양한 분야에서 응용할 수 있다"고 말했다.
이 연구는 한국연구재단 지능형반도체기술개발사업과 경기도 시스템 반도체 국산화 연구지원 사업, 한국기초과학지원연구원 분석과학연구장비 개발사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
김 교수 연구팀의 정재용 박사과정이 제1저자로 주도하고, 김종민 한국나노기술원 박사와 박승영 한국기초과학지원연구원 연구팀이 협업으로 진행한 이 연구는 반도체 올림픽이라 불리는 'VLSI 기술 심포지엄(Symposium on VLSI Technology)'에서 발표됐다(논문명: 3D stackable Cryogenic InGaAs HEMTs for heterogeneous and monolithic 3D intetrated highly scalable quantum computing system).
