EeroQ, 초유동 헬륨 위 전자 셔틀링 CMOS 제어 실증

연구 배경: 고체 소자의 결함을 피하는 접근법

기존 고체 기반 양자점(quantum dot) 또는 트랩 전자 플랫폼은 소재 내 불순물과 전하 트랩이 위상 결어긋남(decoherence)과 신호 열화를 유발한다는 구조적 문제를 안고 있다. EeroQ는 이에 대한 대안으로 고체 CMOS 칩 표면에 원자 수준으로 균일한 초유동 헬륨 박막을 응축시킨 뒤, 그 위에 전자를 부유 상태로 유지해 이송하는 방식을 채택했다. 초유동 헬륨은 고체 반도체에서 발생하는 화학 결함이나 격자 결함이 없어 전자에게 균일한 포텐셜 면을 제공한다.

Wonder Lake 칩 아키텍처

EeroQ의 프로토타입 칩 'Wonder Lake'는 디지털 카메라 센서에 쓰이는 전하결합소자(CCD)의 구조를 응용한다. 칩은 마이크로채널 망으로 구성된 2차원 배열 위에 헬륨 박막을 채운 구조이며, 외부 제어선 14개만으로 128개 독립 채널을 구동할 수 있다. 이 단위 셀 구조가 단일 모놀리식 어레이 위에 32회 반복 배치되어 국소 저장 영역, 온칩 정전 센서, 게이트 영역을 연결하는 고밀도 연결 통로를 형성한다. 미국 반도체 파운드리 SkyWater Technology의 130nm 상용 공정으로 제작됐다는 점에서, 별도 클린룸 설비 없이 기존 반도체 생산 인프라를 활용할 수 있다는 의미가 있다.

검증 결과: 손실 없는 킬로미터급 이송

제1저자 K.E. Castoria와 CEO Nick Farina를 포함한 연구진은 전자 패킷에 고주파 클로킹 시퀀스를 지속 적용했다. 10⁹회 연속 이송 사이클 동안 포텐셜 우물에서 이탈한 전하가 단 한 건도 검출되지 않았으며, 누적 이동 거리는 수십 킬로미터에 달했다. 또한 이 라우팅 구조는 물리적으로 떨어진 큐비트를 동적으로 인접 배치해 2-큐비트 얽힘 게이트를 수행할 수 있는 전결합(all-to-all) 연결성을 지원한다.

스케일링 의미와 한계

전결합 연결성은 위상 오류 정정(topological error correction)에서 장거리 논리 연산을 단순화하는 데 유리하다. 제어선 수와 채널 수의 비율(14:128)이 주는 다중화 이득은 기존 방식 대비 배선 병목을 줄일 수 있다. 다만, 현 단계 결과는 전하 이송 충실도에 초점을 맞춘 것으로, 단일 전자 스핀 큐비트의 코히어런스 시간이나 게이트 충실도에 대한 직접적인 수치는 이번 논문에 포함되지 않았다. 실제 양자 연산 성능 검증은 후속 과제로 남는다.