CMOS 호환 감산 공정 초전도 트랜스몬 큐비트의 장기 안정성 연구

초록

본 논문은 CMOS‑호환 감산 공정으로 제작된 초전도 트랜스몬 큐비트 8개의 단일 냉각 주기(95시간)와 1년 이상에 걸친 10회 냉각 사이클 동안의 장기 동작을 측정한다. 단일 냉각에서는 T₁·T₂*가 TLS(두 수준 시스템)와의 상호작용으로 급격히 변동함을 확인했고, 평균 T₁이 길수록 변동 폭이 커지는 이론적 예측과 일치함을 보였다. 장기 측정에서는 큐비트 전이 주파수가 약 61 MHz 하향 이동하고, T₁은 사이클마다 변동하지만 평균값은 안정적임을 보고한다. 또한 감산 공정 큐비트의 T₁ 안정성이 전통적인 리프트‑오프 공정과 동등함을 통계적으로 입증하였다.

상세 분석

이 연구는 초전도 양자 컴퓨팅에서 가장 중요한 과제 중 하나인 “시간에 따른 성능 안정성”을 정량적으로 평가한다는 점에서 의미가 크다. 먼저, 감산 공정(CMOS‑compatible subtractive fabrication)으로 만든 트랜스몬 큐비트 8개를 95시간 동안 연속 측정했으며, 각 측정 사이클은 T₁(긴 수명), Ramsey 실험을 통한 T₂* 및 단일 샷 읽기 파라미터(F, Δm, T_eff)를 포함한다. 결과는 T₁과 T₂* 히스토그램이 뚜렷한 오른쪽 꼬리를 보이며, 이는 TLS 결함이 큐비트 주파수와 결합해 에너지 손실을 일시적으로 증가시키는 ‘드롭아웃’ 현상과 일치한다. 저자들은 이러한 비대칭 분포를 Rician 함수(오프셋 포함)로 피팅해 평균과 표준편차를 추정했으며, 이는 통계적 외곽값에 과도하게 영향을 받지 않도록 설계된 방법이다.

TLS와의 상호작용을 더 깊이 파악하기 위해 |f_Ramsey|−Δf(즉, 실제 큐비트 주파수 변동)를 추적했는데, 급격한 주파수 점프와 서서히 변하는 드리프트가 동시에 관찰되었다. 특히, 급격한 주파수 변동은 TLS가 ‘텔레그래픽’ 전이 혹은 ‘확산’ 모드로 전이하면서 발생한다는 기존 이론과 부합한다. 이러한 현상이 T₁·T₂* 감소와 동시 발생한다는 점은 1/T₂ = 1/(2T₁)+1/T_φ 관계를 통해 기대되는 결과이며, TLS가 에너지 손실뿐 아니라 위상 탈동조에도 크게 기여한다는 것을 재확인한다.

다음으로, 여러 냉각 사이클(총 10회, 1년 이상) 동안 두 대표 큐비트(A.1, B.1)의 전이 주파수와 리드아웃 공명 주파수를 추적했다. 결과는 모든 사이클에서 리드아웃 공명 주파수는 거의 변하지 않은 반면, 큐비트 전이 주파수는 평균 61 MHz 정도 하향 이동했다. 이는 열 사이클 동안 금속 및 절연층의 응력 완화, 산화막 두께 변화, 혹은 TLS 분포의 재배열에 기인할 가능성이 있다. T₁은 사이클 간 변동성을 보였지만, 평균값은 크게 변하지 않아 장기적인 에너지 손실 메커니즘이 비교적 안정적임을 시사한다.

마지막으로, 저자들은 자체 데이터(EMFT 0,1,2)와 기존 문헌의 리프트‑오프 공정(Dolan bridge, Manhattan) 데이터를 비교했다. T₁ 평균값이 클수록 표준편차 σ_T₁도 커지는 관계 σ_T₁ = a·⟨T₁⟩^{3/2} (a≈1.22×10⁻² s^{2/3})가 모든 데이터에 일관되게 적용되었다. 이는 TLS가 단일 결함 수준에서 지배적인 손실 메커니즘임을 뒷받침한다. 중요한 점은 감산 공정 큐비트가 이 통계적 관계와 절대적인 변동 폭 모두에서 전통적인 리프트‑오프 공정과 동등하거나 더 우수한 성능을 보였다는 것이다. 따라서 CMOS 호환 감산 공정은 대규모 양자칩 제조에 있어 신뢰할 수 있는 대안임을 실험적으로 입증했다.

이 연구는 양자 오류 정정(QEC) 구현을 위한 물리적 큐비트 수천 개 규모의 시스템에서, 단일 큐비트의 T₁·T₂* 변동이 전체 시스템 오류율에 미치는 영향을 정량화하는 데 필요한 실험적 기반을 제공한다. 특히, TLS와의 결합이 평균 수명이 길어질수록 변동성을 증가시킨다는 사실은 설계 단계에서 “수명·안정성 트레이드오프”를 고려해야 함을 강조한다. 향후 연구에서는 TLS 밀도 감소를 위한 재료 공정 최적화, 플럭스‑튜너블 설계 도입, 혹은 동적 TLS 제어 기법을 통해 변동성을 억제하고, 장기적인 주파수 드리프트를 최소화하는 방안을 모색할 필요가 있다.