양자 컴퓨터 냉각기 내 무선 통신을 위한 저온 CMOS 안테나

초록

본 논문은 4 K 환경에서 동작하도록 설계된 차동 디폴 안테나를 제안한다. 28 GHz 대역에서 -20.8 dB(자유공간) 및 -18.38 dB(냉각기 내부)의 반사계수를 달성했으며, 온도 의존성 물성치를 반영한 시뮬레이션을 통해 효율적인 임피던스 매칭과 92 %(자유공간)·77 %(냉각기) 의 방사 효율을 확인한다.

상세 분석

이 연구는 양자 컴퓨터의 다코어 아키텍처에서 발생하는 배선 밀집 문제를 무선 통신으로 완화하고자 하는 시도이다. 핵심은 28 GHz에서 동작하는 차동 디폴 안테나를 저온 CMOS 공정에 통합한 점이다. 설계 단계에서 저온(4 K)에서 구리와 실리콘의 전도도·유전율 변화를 정확히 모델링했으며, 이는 전자기 시뮬레이션(CST MWS)에서 손실 감소와 임피던스 매칭 개선으로 이어졌다. 차동 구조는 공통모드 전류를 억제해 노이즈 면역성을 높이며, GSSG(ground‑signal‑signal‑ground) 패드 배치는 온칩 측정과 외부 회로 연결을 용이하게 한다.

안테나의 물리적 치수는 λ₀/2·√ε_eff 공식을 기반으로 초기 설계하고, 실리콘 기판 두께(0.3 mm)와 금속 레이어 두께(3.5 µm)를 최적화했다. 온도에 따른 구리 전도도는 300 K에서 5.9×10⁷ S/m에서 4 K에서는 2.9×10⁸ S/m로 5배 상승했으며, 이는 전송 손실을 크게 감소시켜 방사 효율을 83 %→92 %로 끌어올렸다.

냉각기 내부 시뮬레이션에서는 안테나를 PCB에 장착하고, 냉각 플레이트와 열 차폐·뮤-메탈 층을 포함한 실제 구조를 모델링했다. 금속 및 절연체의 온도 의존성 물성치를 적용한 결과, 공진 주파수가 약 28 GHz에서 -21 dB 수준의 S₁₁을 보이며, 방사 효율은 77 %로 약간 감소했지만 여전히 실용적인 수준이다. 전자기장 분포 분석은 차동 급전으로 180° 위상 차이가 유지되고, 냉각기 내부에서 다중 경로 전파가 발생함을 확인했다.

핵심 기여는 (1) 저온 물성치를 반영한 온칩 차동 디폴 안테나 설계, (2) 실제 냉각기 환경에서의 전자기 시뮬레이션을 통한 성능 검증, (3) 28 GHz 대역에서 -20 dB 이하의 반사계수와 8 dBi 수준의 실현 이득을 달성한 점이다. 이러한 결과는 차동 RF 회로와 결합된 저전력 cryo‑CMOS 트랜시버와 함께 사용될 경우, QPU 간의 짧은 거리 무선 링크를 구현해 배선 복잡도와 열 부하를 크게 낮출 수 있음을 시사한다. 다만, 온도 구배에 의한 공통모드 전환 및 냉각기 내부의 다중 경로 간섭을 최소화하기 위한 추가 설계 최적화가 필요하다.