[논문 리뷰] A Review on Quantum Computing: Qubits, Cryogenic Electronics and Cryogenic MOSFET Physics

Farzan Jazaeri, Arnout Beckers외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 07.

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design참고 문헌 86인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 기반 양자 컴퓨팅을 검토하며, 큐비트 실현 방식, 극저온 CMOS 전자기기, 그리고 극저온에서의 MOSFET 물리학을 중심으로 다룬다. 대규모 양자 컴퓨터에서의 확장성과 노이즈 문제를 해결하기 위해 실리콘 큐비트를 극저온 CMOS 프론트엔드 전자기기와 공통으로 통합하는 것을 제안하며, 10 K 이하에서 작동하는 CMOS 장치가 양자 제어 시스템에 적합함을 입증한다.

ABSTRACT

Quantum computing (QC) has already entered the industrial landscape and several multinational corporations have initiated their own research efforts. So far, many of these efforts have been focusing on superconducting qubits, whose industrial progress is currently way ahead of all other qubit implementations. This paper briefly reviews the progress made on the silicon-based QC platform, which is highly promising to meet the scale-up challenges by leveraging the semiconductor industry. We look at different types of qubits, the advantages of silicon, and techniques for qubit manipulation in the solid state. Finally, we discuss the possibility of co-integrating silicon qubits with FET-based, cooled front-end electronics, and review the device physics of MOSFETs at deep cryogenic temperatures.

연구 동기 및 목표

• 초전도체 및 실리콘 기반 양자 컴퓨팅 플랫폼에서의 확장성 문제를 분석하기 위해.
• 실리콘 기반 큐비트가 대규모 통합을 위해 기존의 CMOS 제조 인프라를 활용할 잠재력을 평가하기 위해.
• 냉각기 내에서 큐비트와 직접적으로 CMOS 기반 프론트엔드 전자기기를 통합할 수 있는 가능성을 조사하기 위해.
• 극저온에서의 MOSFET 물리학을 검토하여 극저온 CMOS 회로의 정확한 모델링과 설계를 가능하게 하기 위해.
• 극저온 전자기기의 역할을 평가하여 양자 시스템에서 배선 복잡성, 열 노이즈, 지연 시간을 줄이기 위해.

제안 방법

• 초전도체 및 실리콘 스핀 큐비트에 중점을 두어 다양한 큐비트 유형을 조사하고, 그 물리적 실현 방식을 분석하기 위해.
• 양자 시스템에서의 열 노이즈와 교차 간섭을 줄이기 위해 극저온 제어 전자기기의 필요성을 분석하기 위해.
• 4 K에서 작동하는 CMOS 회로의 실험 결과를 검토하여 펄스 모odulator와 리드 오실레이터를 포함하기 위해.
• 10 K 이하 온도에서의 MOSFET 장치 물리학을 검토하여, 운반체 이동도, 임계 전압 이동, 게이트 누설 등을 중심으로 하기 위해.
• 극저온 환경에서의 측정 성능 기반으로 극저온 CMOS 회로 설계 지침을 제시하기 위해.
• 큐비트와 CMOS 전자기기를 하나의 칩에 통합하는 양자 통합 회로(QIC)의 시스템 수준 통합 전략을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 CMOS 제조 공정을 사용하여 실리콘 기반 큐비트를 확장시켜 대규모 양자 컴퓨팅을 달성할 수 있는가?
• RQ2 큐비트 제어를 위해 극저온 온도(<10 K)에서 CMOS 전자기기를 작동시키는 데 있어 핵심 과제는 무엇인가?
• RQ3 극저온에서 MOSFET의 거동은 어떻게 변화하며, 정확한 회로 설계를 위해 필요한 모델은 무엇인가?
• RQ4 큐비트와 프론트엔드 극저온 CMOS 전자기기를 공통으로 통합함으로써 배선 복잡성과 열 부하를 줄일 수 있는가?
• RQ5 극저온 CMOS 회로는 양자 컴퓨팅 시스템의 성능과 확장성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 특히 실리콘 큐비트 델타에서의 스핀 큐비트는 CMOS 공정과의 호환성 덕분에 대규모 양자 컴퓨팅에 매우 유망하다.
• 4 K에서 작동하는 CMOS 회로가 성공적으로 시험되었으며, 28 nm 빌드-인 CMOS 펄스 모듈레이터가 2 mW 미만의 소비 전력을 기록하여 극저온 제어에 대한 실현 가능성을 입증하였다.
• 극저온에서의 MOSFET는 향상된 운반체 이동도와 변화한 임계 전압을 나타내며, 정확한 시뮬레이션을 위해 수정된 콪act 모델이 필요하다.
• 큐비트와 극저온 CMOS의 통합은 대규모 양자 프로세서에서 인터커넥트 수, 열 노이즈, 신호 지연 시간을 크게 줄일 수 있다.
• 열 노이즈와 배선 용량은 확장성의 주요 장벽이며, 공진성과 성능을 유지하기 위해 칩 내 전자기기의 도입이 필수적이다.
• 큐비트와 CMOS 전자기기를 하나의 칩에 통합하는 것—즉, 양자 통합 회로(QIC)를 형성하는 것—은 실현 가능한 길이지만, 장치 모델링과 시스템 아키텍처 분야에서 여전히 과제가 남아 있다.