Fermilab SQMS, 초전도 트랜스몬 22개 이중맹검 분석으로 T1 최대 2배 편차 원인 규명

연구 배경: 같은 칩 위에서 왜 큐비트 성능이 갈리는가

초전도 양자프로세서 확장의 핵심 난제 중 하나는 동일한 설계도로 같은 기판에 함께 제작된 큐비트 사이에서도 성능 편차가 발생한다는 점이다. 이 편차가 소자 수율을 저하시키고 결함 허용 연산 구현을 어렵게 만든다. Fermilab SQMS센터는 Rigetti Computing, 미국 국립표준기술연구소(NIST), Ames국립연구소, 노스웨스턴대학교, 영국 국립물리연구소(NPL)와 공동으로 편차의 미시적 기원을 체계적으로 추적하는 다기관 연구를 수행했다.

이중맹검 방식과 7가지 분석 기법

연구진은 관찰자 편향을 차단하기 위해 이중맹검 프로토콜을 채택했다. 소재 분석팀은 큐비트의 결맞음 지표를 모르는 상태에서 비파괴 및 침습적 분광·현미경 기법 7종으로 구조·화학적 특성을 목록화했고, SQMS 퀀텀 가라지에서 수행된 결맞음 측정값과의 대조는 분석이 완전히 끝난 뒤에야 이루어졌다. 이 설계는 특정 결과를 기대하는 연구자의 무의식적 해석이 데이터에 영향을 미치는 것을 원천 차단한다.

나노미터 단위 결함이 T1을 결정한다

연구에서 가장 두드러진 결과는 세 가지 나노미터 스케일 변수가 T1 수명의 최대 2배 편차를 설명한다는 점이다.

첫째, 표면 산화막 두께의 단일 나노미터 변화만으로도 유전체 손실 탄젠트가 충분히 달라져 T1이 최대 2배 범위에서 달라진다. 둘째, 금속 전극 인접 기판 트렌치 깊이가 20 nm 미만 구간에서는 작은 변화만으로도 성능이 급격히 요동치지만, 트렌치가 더 깊어지면 그 영향이 포화된다. 셋째, 식각 측벽 각도와 관련해 10°15°의 가파른 각도는 손실 산화막 층에 전기장이 집중되는 면적을 줄여 30° 경사 식각 대비 T1을 2030% 향상시킬 것으로 예측됐다.

반면 육안으로 식별 가능한 기판 스크래치나 분진 같은 거시적 결함은 T1 편차와 통계적으로 유의미한 상관관계를 보이지 않았다. 결맞음 성능은 거시 결함이 아니라 나노미터 단위 계면 조건이 지배한다는 것이다.

Rigetti의 공정 최적화 및 산업적 함의

산업 파트너인 Rigetti Computing은 이번 연구에서 도출된 정량적 파라미터를 리소그래피 식각 공정과 표면 패시베이션 프로토콜 최적화에 직접 적용하고 있다. 이 연구가 제시하는 예측 프레임워크는 다중 큐비트 프로세서에서 소자 간 수율 균일성을 관리하는 실용적 근거가 될 수 있다.

다만 현 단계의 한계도 있다. 연구 대상이 22개 소자에 그쳐 통계적 모집단이 충분하지 않을 수 있으며, 식각 각도와 T1 향상 예측치(20~30%)는 실험적 검증보다 모델 기반 추정에 의존한 부분이 있다. 또한 공정 제어만으로 달성 가능한 개선 상한과 소재 선택이나 소자 아키텍처 변경의 기여분을 분리하는 후속 연구가 필요하다.