서울대학교 전기·정보공학부 초전도 응용 연구실(지도교수: 한승용)은 한국표준과학연구원(단장: 이용호)과 공동 연구를 통해 초전도 양자컴퓨터의 양자 신호 손실을 획기적으로 감소시킬 수 있는 광대역 필터를 발표하였다. 초전도 응용 연구실 박성현 연구원의 주도로 설계된 광대역 필터는 표준 과학연구원 최가현 선임 연구원의 도움으로 제작 및 측정되었다.

초전도 양자컴퓨터는 초전도체를 이용해 제작한 큐비트를 활용하여 양자 신호를 처리한다. 이러한 처리과정에서 발생하는 양자 신호 손실 문제를 극복하기 위해 기존에 제시되었던 양자 신호 필터는 크기가 크거나 (~20 mm²), 통과 대역폭이 좁거나(~200 MHz), 손실을 효과적으로 줄이지 못하는 점들이 큰 규모의 양자컴퓨터 개발에 공학적인 난제로 남아있었다. 한승용 교수 연구팀은 기존의 한계점들을 뛰어넘는 800 MHz 수준의 광대역 통과폭을 지닌 0.3 mm² 수준의 초소형 양자 신호 손실 방지 필터 개발에 성공했다.



그림 1. 기존 수십 mm² 크기의 필터를 500 μm x 580 μm (0.29 mm²)로 구현함과 동시에 광대역 통과폭과 효과적인 양자 신호 손실 방지 가능성 입증: (a) 필터 측정용 칩 및 확대된 필터 사진; (b) 필터의 주파수 응답 (S21) 측정 결과(빨간색 solid 선)를 통해 ~800 MHz 광대역 통과폭 확인; (c) 필터가 늘어남에 따라 (1개 초록색 dash, 2개 파란색 solid) 개선되는 큐비트 신호 수명.

한승용 교수는 본 논문에서 제시된 초소형 필터는 기존 초전도 양자컴퓨터 시스템에 다양하게 활용될 수 있으며, 다양한 디자인을 함께 제시하여 확장 가능한 범용 fault-tolerant 양자컴퓨팅 시스템 개발에 기여할 것으로 기대된다고 밝혔다. 본 연구 결과는 응용물리 분야 국제학술지인 Applied Physics Letters에 컴팩트한 디자인과 범용성을 높게 평가받으며 Editor’s Pick에 선정되며 게재되었다.

SH Park, G Choi, G Kim, J Jo, B Lee, G Kim, K Park, Y-H Lee, S Hahn, “Characterization of Broadband Purcell Filters with Compact Footprint for Fast Multiplexed Superconducting Qubit Readout,” Applied Physics Letters, vol. 124, no. 4, p. 044003, 2024. [https://doi.org/10.1063/5.0182642]