NIST, 양자 컴퓨팅용 초소형 초저온 온도계 개발

미국 국립표준기술연구소(NIST) 연구진이 초전도체 기반 양자 컴퓨터의 프로세서 칩 온도 모니터링 등 다양한 활용 가능성이 큰 초소형 초전도 온도계를 발명했습니다. 양자 컴퓨터는 극저온에서만 제대로 작동하기 때문에 칩 온도 관리가 필수적입니다.

주요 특징

이 온도계는 1 켈빈(영하 272.15°C) 이하, 최저 50 밀리켈빈(mK)까지 측정 가능하며, 잠재적으로 5 mK까지도 측정할 수 있습니다. 기존 극저온 온도계보다 크기가 작고 빠르며 편리해 칩 규모 장치에 적합하고, 대량 생산도 가능합니다.

기술적 배경

이 기술은 NIST가 망원경 카메라용으로 개발한 맞춤형 초전도 센서에서 파생되었습니다. 크기는 2.5 × 1.15mm에 불과하며, 다른 극저온 마이크로파 장치에 내장하거나 부착해 칩에 장착했을 때 온도를 측정할 수 있습니다. 연구진은 이 온도계를 사용해 초전도 마이크로파 증폭기의 발열을 빠르고 정확하게 측정하는 것을 시연했습니다.

연구 의의

연구 그룹 리더 조엘 울롬(Joel Ullom)은 "이 아이디어가 빠르게 매우 유용한 도구로 발전했다"며 "이 온도계를 사용하면 연구자들이 테스트 패키지의 다양한 구성 요소 온도를 매우 저렴한 비용으로, 추가 전기 연결을 많이 하지 않고도 측정할 수 있다. 이는 양자 컴퓨팅 연구자나 저온 센서를 사용하는 다양한 분야의 연구자들에게 큰 도움이 될 잠재력이 있다"고 말했습니다.

작동 원리

이 온도계는 실리콘 산화물로 코팅된 초전도 니오븀 공진자로 구성됩니다. 코팅이 공진자와 상호작용해 자연 진동 주파수를 변화시키는데, 과학자들은 이것이 원자가 두 사이트 사이를 '터널링'하는 양자역학적 효과 때문이라고 추측합니다.

NIST 온도계는 공진자의 자연 주파수가 온도에 의존한다는 원리를 새로운 방식으로 적용했습니다. 주파수 변화를 온도로 매핑하는 방식입니다. 반면, 기존 아켈빈 온도계는 전기 저항을 기반으로 하며, 상온 전자장치까지 배선을 연결해야 해 복잡성이 증가하고 발열 및 간섭을 유발할 수 있습니다.

성능 우위

• 속도: 약 5밀리초 만에 온도 측정 (기존 저항식 온도계는 약 0.1초 소요)
• 제조 용이성: 단일 공정 단계로 제작 가능
• 대량 생산: 3인치(약 75mm) 실리콘 웨이퍼에 1,200개 이상 제작 가능

이 혁신적인 온도계는 양자 컴퓨팅뿐만 아니라 초전도 전자공학, 천문학, 재료 과학 등 극저온 환경에서 정밀한 온도 측정이 필요한 다양한 분야에 기여할 것으로 기대됩니다.