게이트톤 큐비트 안정성 향상을 위한 설계 비교와 신뢰성 분석

초록

본 논문은 하이브리드 초전도‑반도체 조셉슨 접합을 이용한 게이트톤(qubit)의 주파수 신뢰성, 시간 안정성, 히스테리시스 및 코히런스 특성을 평가한다. 접지형(capacitor grounded)과 부유형(capacitor floating) 두 가지 shunt capacitor 설계를 비교한 결과, 접지형이 고주파 영역에서 주파수 변동이 10배 이하로 감소하고, 히스테리시스와 장기 드리프트가 최소화됨을 확인하였다. 또한 1 MHz 수준의 정밀도로 수 GHz 범위에서 주파수를 조정할 수 있는 방법을 제시한다.

상세 분석

이 연구는 InAs/Al 나노와이어 기반 S‑Sm‑S 조셉슨 접합을 이용한 두 종류의 게이트톤 설계를 체계적으로 비교한다. 첫 번째는 접지형으로, 커패시터 패드가 직접 접지와 연결되어 있어 전위 기준이 명확하고, 두 번째는 부유형으로 패드가 접지면과 전기적으로 분리된 구조이다. 두 설계 모두 동일한 충전 에너지 (E_C)를 갖도록 설계했으며, 게이트 라인은 스펙트럼 측정 시 스핀-오프 파워를 최소화하도록 최적화되었다.

주파수 신뢰성 평가에서는 동일한 게이트 전압 스윕을 10번 반복 수행하고, 각 스윕마다 두톤 스펙트로스코피를 통해 (f_q(V_g))를 추출하였다. 접지형에서는 5 GHz 이상 영역에서 평균 표준편차 (\langle\delta f_q\rangle = 0.68) MHz에 불과했으며, 저주파 영역에서는 전하 점프에 의해 변동이 증가하였다. 반면 부유형은 전체 주파수 범위에서 (\langle\delta f_q\rangle = 6.08) MHz로, 접지형보다 약 10배 큰 변동을 보였다. 이는 부유형이 전기적 접지 기준이 없기 때문에 전하 잡음에 더 민감함을 의미한다.

시간 안정성 실험에서는 선택된 여러 게이트 전압(스위트스팟 및 기울기 구역)에서 6시간 동안 연속 두톤 측정을 수행하였다. 고주파(>5 GHz)에서는 접지형이 거의 변동 없이 안정적인 주파수를 유지했으며, 저주파에서는 1 GHz 규모의 불연속 점프가 관찰되었다. 부유형은 전체 주파수 구간에서 MHz 수준의 서서히 변하는 드리프트와 작은 불연속 점프가 동시에 나타났다. 이는 주파수 자체가 안정성에 결정적인 영향을 미치며, 전압 민감도와는 별개임을 시사한다.

히스테리시스 분석에서는 동일한 목표 전압 (V_g^*)에 도달하기 위해 전압을 상승·하강 두 방향으로 스윕하였다. 접지형에서는 안정 구역 내에서는 히스테리시스가 거의 없었지만, 불안정 구역(예: 7 GHz 이하)에서는 전압 스윕 방향에 따라 최대 수십 MHz까지 차이가 발생했다. 부유형은 전체 구역에서 히스테리시스가 비교적 작았지만, 전압 변화에 따른 전하 재분포가 잔존해 주파수 변동을 야기한다.

코히런스 측정에서는 (T_1)와 (T_2^*)를 각각 5 GHz 이상에서 20–30 µs, 10–15 µs 수준으로 확보했으며, 저주파에서는 (T_1)이 5 µs 이하로 급감하였다. 이는 전하 잡음과 전압 불안정성이 에너지 이완 및 탈동조에 크게 기여함을 보여준다. 전체적으로, 접지형 설계가 고주파 영역에서 최적의 성능을 제공하지만, 저주파에서는 전하 점프와 히스테리시스가 여전히 문제이며, 이를 해결하기 위한 추가적인 전하 안정화 기술이 필요하다.

결론적으로, 게이트톤의 주파수 제어 정확성을 1 MHz 수준으로 달성하면서도 설계에 따라 안정성 차이가 크게 나타난다. 접지형 설계는 고주파에서 뛰어난 신뢰성과 낮은 히스테리시스를 제공하므로, 대규모 양자 회로에 적용하기에 유리하다. 그러나 저주파 영역에서의 전하 점프와 히스테리시스는 여전히 설계와 재료 공정 수준에서 개선이 요구된다.