A quantum computer is an emerging candidate to solve various problems that require large computational power, by processing data through qubits and quantum algorithms with higher speed exceeding conventional supercomputers. Since superconducting qubits must be located in a cryogenic environment to maintain their quantum state, microwave circuits for controlling and measuring them must operate stably in a cryogenic environment as well. A circulator is an essential component that is placed very adjacent to qubits, to protect sensitive qubits from external energy and signals. Normally, circulators used in a quantum computer are composed of magnets and ferrites, thereby they occupy most of the volume of a cryogenic circuit and cannot be integrated on a chip. Therefore, numerous previous studies have been conducted on compact spatio-temporal modulation circulators without magnets, but a variable capacitor, which is a modulation element, has been unable to operate at a very low temperature due to the free carrier freeze-out phenomenon of semiconductors. In this thesis, we demonstrated a MEMS switch capable of stable cryogenic operation and showed its feasibility of implementation as a modulation element of a spatio-temporal modulation circulator for application to a quantum computer.
양자 컴퓨터는 양자역학적인 현상을 활용한 큐비트와 양자 알고리즘을 통해 데이터를 처리하는 컴퓨터로, 기존 슈퍼컴퓨터를 능가하는 연산 속도로 큰 계산력을 요구하는 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 초전도 큐비트는 양자 상태를 유지하기 위해 반드시 극저온 환경에 위치해야 하므로, 이를 제어하고 계측하기 위한 마이크로파 회로 역시 극저온에서 안정적으로 구동되어야 한다. 이때 외부 에너지와 신호에 민감한 큐비트를 보호하는 서큘레이터가 반드시 사용되는데, 이는 자석으로 이루어져 극저온 회로의 대부분 부피를 차지하고 집적이 불가능하다. 따라서 자석을 사용하지 않는 작은 부피의 시공간 변조 서큘레이터가 다수 연구되었으나, 변조소자인 버랙터가 반도체의 자유 캐리어 동결(free carrier freeze-out) 현상으로 인해 극저온 동작이 불가능하였다. 본 학위 논문에서는 안정적인 극저온 구동이 가능한 MEMS 스위치를 개발하여, 양자 컴퓨터에 활용 가능한 시공간 변조 서큘레이터의 변조소자로서 구현 가능성을 보이고자 한다.
