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양자 확장성을 구현하는 인텔 "호스 리지"

ISSCC 2020 연구 논문에서 확장성, 유연성, 정확성을 위해 설계된 양자 제어 칩 특징 강조

인텔 랩(Intel Labs)은 큐텍(Qutec)과 협력해 양자 컴퓨터를 향후 상업적으로 구현하기 위해 양자 하드웨어와 소프트웨어 생태계 양쪽 모두에 대한 연구를 진전시켜왔다. 업계 전체가 직면하고 있는 상용 규모의 양자 컴퓨팅에서 대표적인 병목 현상이 바로 상호 연결과 전자 장치 제어다. 

장애허용 시스템(fault-tolerant)이면서 상용 규모인 양자 컴퓨터를 구축하려면 큐비트와 전자 장치 제어를 위한 확장 가능한 아키텍처가 필요하다. 호스 리지(Horse Ridge)는 고도로 통합된 SoC(System-on-chip)로, 높은 정확성으로 다수의 큐비트를 제어할 수 있는 향상된 솔루션을 제공한다. 이는 양자 실용화로 가는 과정에 있어 중요한 이정표다. 

호스 리지 특징:
• 호스 리지는 고도로 통합된 혼합 신호(Mixed Signal), 극저온의 SoC로, 4X4 제곱밀리미터(mm2)이며, 인텔 22 나노미터(nm) FFL (FinFET Low Power) CMOS 기술이 적용됐다. 이는 하나의 패키지에 SRAM, 디지털 코어, 아날로그/RF 회로를 통합해 마이크로웨이브파로 양자 시스템 내의 큐비트 상태를 조작할 수 있다. 
• 고속 디지털/아날로그 컨버터 및 2GHz ~ 20GHz 범위의 광대역 주파수 상향변환기(up-converter)와 통합했다. 
• 펄스 정형(18Gb/s)을 위한 진폭과 위상 변조 정보는 칩 내 SRAM에 저장돼, 최대 엔벨로프(envelope)는 41 마이크로초(μs)이다. 이는 룩업 테이블(LUT)에서 확인할 수 있는데, 큐비트 당 8개의 명령어를 정의할 수 있다. 
∘ LUT는 제어 장치에 필요한 데이터율을 줄이며, 명령어 간 지연을 최소화한 외부 트리거로 실행되는 통합된 프로그래머블 명령어 집합을 통해 최대 1Kb/s까지 추가로 줄일 수 있다. 
• 호스 리지(Horse Ridge)는 단일 장치에 4개의 무선 주파수(RF) 채널을 갖추고 주파수 멀티플렉싱을 활용해 128 개의 큐비트를 제어한다. 각 RF 채널은 DDA(Direct Digital Synthesis)를 32 개의 NCO(numerically controlled oscillator)와 함께 사용해 각각 200Hz의 높은 정밀도로 32 개의 멀티플렉스된 큐비트 주파수를 생성한다. 

주요 이점:
• 양자 시스템 운영에 필요한 폼 팩터(칩 및 PCB 크기) 및 전력 감소
• 더 많은 수의 큐비트로 확장 및 제어 가능 (최대 128 큐비트)
• 호스 리지로 생성될 수 있는 제어 펄스의 높은 유연성으로 전체 게이트 정확성이 향상돼 큐비트 간의 간섭 감소
• 디바이스는 자동적으로 위상 변이를 조정할 수 있으며, 동일한 RF 회선에서 다른 주파수로 다중 큐비트를 제어할 때 발생한다. 위상 변이는 전자 제어 장치 개별 펄스를 업데이트한 디지털 코드 번호로 가능하다. 

[ISSCC’19] J. C. Bardin et al., “A 28nm Bulk-CMOS 4-to-8GHz <2mW Cryogenic Pulse Modulator
for Scalable Quantum Computing,” ISSCC Dig. Tech. Papers, pp. 456-458, 2019.
[RSI’17] C. A. Ryan, B. R. Johnson, D. Ristè, B. Donovan and T. A. Ohki, “Hardware for
dynamic quantum computing,” Rev. Sci. Instrum., 2017.