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김상현교수 연구팀 3차원 적층형 양자컴퓨팅판독 소자 제작 성공

KAIST, 3차원 적층형 양자컴퓨팅 판독 소자 제작 성공

 극저온에서 동작하는 저전력, 저잡음, 초고속 소자의 3차원 집적 기술로 향후

 대규모 양자컴퓨팅용 소자 응용 기대

<(왼쪽부터) 전기및전자공학부 김상현 교수, 정재용 박사과정, 한국나노기술원 김종민 박사, 한국기초과학지원연구원 박승영 교수>  

KAIST( 총장 이광형 )  전기및전자공학부 김상현 교수 연구팀이  * 모놀리식  3 차원 집적 의 장점을 활용해 기존 양자 컴퓨팅 시스템의 대규모 큐비트 구현의 한계를 극복하는  3 차원 집적된 화합물 반도체 해독 소자 집적 기술을 개발했다고   16일 밝혔다 . ‘ 모놀리식  3 차원 집적 초고속 소자 ’  연구  (2021 년  VLSI  발표 , 2021 년  IEDM  발표 , 2022 년  ACS Nano  게재 ) 를 활발하게 진행해 온 연구팀은 양자컴퓨터 판독 / 해독 소자를  3 차원으로 집적할 수 있음을 처음으로 보였습니다 .
☞  모놀리식  3 차원 집적 :  하부 소자 공정 후 ,  상부의 박막층을 형성하고 상부 소자 공정을 순차적으로 진행함으로써 상하부 소자 간의 정렬도를 극대화할 수 있는 기술로 궁극적  3 차원 집적 기술로 불린다.
 
KAIST  전기및전자공학부 김상현 교수 연구팀의 정재용 박사과정이 제 1  저자로 주도하고 한국나노기술원 김종민 박사 ,  한국기초과학지원연구원 박승영 박사 연구팀과의 협업으로 진행한 이번 연구는 반도체 올림픽이라 불리는  ‘VLSI  기술 심포지엄 (Symposium on VLSI Technology)’ 에서 발표됐다. ( 논문명  :  3D stackable cryogenic InGaAs HEMTs for heterogeneous and monolithic 3D integrated highly scalable quantum computing system ).  
 
큐비트는 비트에 비해  2 배 빠른 계산이 가능하고 , 2 큐비트 , 4 큐비트 , 8 큐비트로 큐비트 수가 선형적으로 커질수록 처리 계산 속도는  4 배 , 8 배 , 16 배로 지수적으로 증가한다 .  따라서 많은 수의 큐비트를 활용한 대규모 양자컴퓨터 개발이 매우 중요하다 . IBM 에서는 큐비트 수를  127 개로 늘린  ‘ 이글 ’ 을 작년에 발표했고 , IBM  로드맵에 따르면 오는  2025 년까지  4000 큐비트 , 10 년 이내에  10000 큐비트 이상을 탑재한 대규모 양자컴퓨터 개발을 목표로 하고 있다 .
 
특히 큐비트의 수가 많은 대규모 양자컴퓨터 개발을 위해서는 큐비트를 제어 / 해독하는 소자에 대한 개발이 필수적이다 . 
연구진은 이러한  3 차원 집적 형태의 제어 / 해독 소자를 최초로 제시 및 구현했을 뿐 아니라 소자의 성능에서도  3 차원 집적을 했음에도 불구하고 성능 저하 없이 극저온에서 세계 최고 차단 주파수 특성을 달성했다 . 
 
이번 연구는 한국연구재단 지능형반도체기술개발사업 ,  경기도 시스템반도체 국산화 연구지원 사업 ,  한국기초과학지원연구원 분석과학연구장비개발사업 (BIG 사업 )  등의 지원을 받아 수행됐다 .
 
붙임  :  연구성과도 각  1 부
 
 
□  그림 설명

 그림 1. 이번 연구에서 제안한 대규모 양자컴퓨터를 위한 시스템 개념도.

그림 2. 극저온 (~4K) 제어/판독 소자의 차단주파수 성능 비교