양자컴퓨터는 왜 케이블 문제가 생길까? Cryo-CMOS가 필요한 이유

초전도 양자컴퓨터에서 큐비트가 많아질수록 제어 케이블과 전자회로가 복잡해지는 이유를 살펴봅니다. Room Temperature Electronics, Cryogenic Wiring, Cryo-CMOS가 어떤 역할을 하는지 시스템 관점에서 설명합니다.

양자컴퓨터에서 큐비트 숫자가 100개에서 1,000개, 그리고 더 큰 규모로 증가하면 가장 먼저 떠오르는 문제는 큐비트 제조일 수 있습니다.

하지만 실제 시스템에서는 큐비트에 신호를 어떻게 전달할 것인가도 큰 문제입니다.

특히 초전도 양자컴퓨터에서는 QPU가 매우 낮은 온도의 Cryostat 안에 있고, 제어장비 대부분은 더 높은 온도 영역 또는 실온에 위치합니다.

결국 두 영역을 수많은 신호선으로 연결해야 합니다.

일반적인 제어 흐름

초전도 Qubit의 동작을 매우 단순화하면 다음과 같은 신호경로를 생각할 수 있습니다.

CPU / Control Software

→ AWG / DAC

→ RF / Microwave

→ Cryostat Wiring

→ Qubit

그리고 측정은 반대 방향으로 진행됩니다.

Qubit / Resonator

→ Amplifier

→ ADC

→ FPGA / DSP

→ Classical Computer

즉 Qubit 하나를 추가하는 것이 단순히 칩 위에 회로 하나를 더 넣는 문제로 끝나지 않습니다.

Control, Readout, Coupler와 관련된 전기적 자원도 늘어납니다.

왜 케이블을 무한히 추가할 수 없을까?

Cryostat 내부로 들어가는 전선은 여러 문제를 만듭니다.

문제	원인
Heat Load	실온에서 저온부로 열이 전달됨
공간	Connector와 Cable 밀도가 증가
Signal Loss	긴 전송경로에서 손실 발생
Noise	Qubit 주변 신호품질에 영향 가능
Cost	RF 장비와 배선 수 증가
Reliability	연결점 증가에 따른 시스템 복잡도

특히 Qubit과 Coupler가 증가하면 제어할 채널도 계속 증가할 수 있습니다.

따라서 수십만·수백만 개 수준의 Physical Quantum Element까지 확장한다면 지금과 동일한 방식으로 모든 신호를 실온에서 개별적으로 전달하는 방법은 점점 부담이 커질 수 있습니다.

Cryo-CMOS란?

Cryo-CMOS는 낮은 온도 환경에서 동작하도록 설계한 CMOS Control Electronics입니다.

핵심 아이디어는 간단합니다.

지금까지 실온 Rack에 있던 제어 기능 일부를 QPU에 더 가까운 저온 영역으로 이동시키는 것입니다.

그러면 많은 Analog Control Line을 멀리 전달하는 대신 일부 제어 기능을 Cryostat 내부 또는 저온 Stage에서 처리할 수 있습니다.

IBM은 2026년 초전도 Quantum System용 Cryo-CMOS 연구에서 16개의 독립적으로 프로그래밍 가능한 Flux Channel을 지원하는 ASIC들을 사용해 156-qubit Heron R2 시스템에서 시험한 결과를 공개했습니다. 연구에서는 Cryo-CMOS 기반 Two-Qubit Gate가 같은 QPU의 Room-Temperature Electronics와 비교 가능한 수준의 동작을 보였다고 보고했습니다.

그러면 모든 전자회로를 QPU 옆에 넣으면 될까?

그렇게 단순하지 않습니다.

전자회로 자체가 전력을 소비하면 열이 발생합니다.

Qubit이 위치하는 극저온 영역에서는 허용 가능한 열 부하가 매우 작기 때문에 일반적인 MCU나 RF IC를 그대로 가져다 놓을 수 없습니다.

따라서 Cryogenic Control에서는

전력 소비
Noise
Chip Area
Cooling Capacity
Signal Integrity

사이의 균형이 중요합니다.

Qubit 근처에 전자회로를 배치할수록 배선은 간단해질 수 있지만 QPU의 열·잡음 환경에는 더 까다로운 조건이 생깁니다.

Qubit보다 Coupler가 더 많을 수도 있다

또 하나 흥미로운 부분이 있습니다.

향후 QEC Architecture에서는 Programmable Qubit 이외에 Qubit 간 연결을 담당하는 Coupler, Reset Element 등 다양한 Quantum Element가 필요할 수 있습니다.

IBM의 2026년 Nighthawk r2 사례를 보면 사용자가 직접 사용하는 120개의 Programmable Qubit 외에도 218 couplers와 120 reset elements가 포함되어 총 458개의 physical quantum elements로 구성된다고 설명합니다. IBM

즉 앞으로는 단순히

100 Qubit → 1,000 Qubit

이라는 숫자만으로 시스템 복잡도를 예상하기 어려워집니다.

실제 제어해야 하는 Quantum Element는 그보다 더 많을 수 있습니다.

양자컴퓨터도 결국 Packaging 기술이 중요하다

이 문제를 따라가다 보면 양자컴퓨터와 반도체 산업의 공통점이 보입니다.

칩 자체의 성능이 좋아져도

Power Delivery
Signal Integrity
Interconnect
Thermal Management
Packaging

문제를 해결하지 못하면 시스템을 확장하기 어렵습니다.

IBM 역시 현재 Quantum System 확장 전략에서 multi-layer wiring, modular cryogenic infrastructure, flex wiring, cryogenic CMOS 등의 기술을 함께 개발하고 있습니다.

정리

초전도 양자컴퓨터의 확장 문제는 Qubit 제조만의 문제가 아닙니다.

Qubit 증가

→ Control Channel 증가

→ Cable / RF Electronics 증가

→ Heat·Space·Cost 증가

라는 시스템 문제가 따라옵니다.

Cryo-CMOS는 이 문제를 해결하기 위한 중요한 접근 중 하나입니다.

따라서 향후 양자컴퓨터 발전을 볼 때 Qubit 숫자뿐 아니라 Control IC, Packaging, Cryogenic Wiring이 어떻게 발전하는지도 함께 살펴볼 필요가 있습니다.

초전도 큐비트란? IBM·Google 양자컴퓨터의 동작 원리

 

Physical Qubit과 Logical Qubit 차이, 왜 물리 큐비트가 많이 필요한가?