KR20210091581A - 3차원 트랜스몬 큐빗 장치 - Google Patents

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KR20210091581A
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이재형
권혁신
전인수
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Abstract

3차원 트랜스몬 큐빗 장치가 개시된다. 개시된 3차원 트랜스몬 큐빗 장치는, 몸체부와, 몸체부 내부 공간에 배치되는 트랜스몬 요소와, 제1 및 제2튜너블 캐버티 모듈과, 구동부를 포함한다. 제1 및 제2튜너블 캐버티 모듈은 몸체부 내부 공간에 설치되며, 제1 및 제2초전도 금속 패널을 각각 포함하며, 트랜스몬 요소를 사이에 두고 제1 및 제2초전도 금속 패널 사이의 간격 조정가능하도록 마련된다. 구동부는, 제1 및 제2초전도 금속 패널 사이의 간격을 조정하여 3차원 캐버티를 조정함으로써 공진 주파수를 튜닝한다.

Description

3차원 트랜스몬 큐빗 장치{3D transmon qubit apparatus}
3차원 트랜스몬 큐빗 장치가 개시된다.
양자 비트(Quantum bit) 즉, 큐빗(Qubit)들은 양자 컴퓨터에 대한 정보의 기초 단위로 사용된다. 큐빗들은 적어도 두개의 다른 양(quantity)을 나타낼 수 있다. 큐빗은 정보가 저장되는 실제 물리 소자(actual physical device)를 의미할 수 있으며, 큐빗의 물리 소자에서 추출된 정보 단위 자체를 의미할 수도 있다.
고전적인 정보 저장 소자는 일반적으로 "0"과 "1"의 라벨로 분류된 두 가지 다른 상태들을 부호화할 수 있다. 이때, 비트 상태를 부호화하는 양(quantity)은 고전 물리 법칙을 따른다.
큐빗 또한 "0"과 "1"의 라벨로 분류된 두 가지 다른 물리 상태들을 포함할 수 있다. 이때, 비트 상태를 부호화하는 양(quantity)은 양자 물리학 법칙을 따른다. 이러한 상태들을 저장하는 물리량(physical quantity)이 기계적으로 양자와 같이 동작한다면, 양자 정보 저장 소자는 "0"과 "1"의 중첩 공간(superposition)에 추가적으로 위치할 수 있다. 일반 비트와 달리 큐빗의 경우 파동과 같이 진폭과 상을 갖고 있으며, 큐빗 간에 얽힘(entanglement)이 가능하여, 일반 비트와는 다른 형태의 연산 구조가 가능하다. 특히 양자역학적 배경이 되는 양자화학을 비롯하여, 데이터 사이언스 및 양자암호 등으로 응용이 가능하다.
이러한 양자 컴퓨터에 사용되는 양자 시스템으로는 광학 기반, 초전도 기반, 이온 트랩 기반, 토폴로지 물질 기반 등이 있다.
초전도로 제작된 캐패시터와 인덕터를 조합하면 LC 공진기를 제작할 수가 있다. 이러한 초전도 LC 공진기는 양자 정보 저장은 가능하지만 제어가 되지 않는 문제가 있다.
트랜스몬은 전하 잡음에 대한 감도를 감소시키도록 설계된 일종의 초전도 큐빗으로, 충전 에너지에 대한 조셉슨 에너지의 비율을 크게 높여서 충전 노이즈에 대한 감도를 줄일 수 있다. 초전도 큐빗 중에서도 3차원 트랜스몬 큐빗은, 큐빗을 튜닝하거나, 트랜스몬의 조셉슨 커플링 특성을 조절하는 것으로 큐빗 상태를 조절한다. 이러한 초전도 큐빗을 튜닝하기 위해서는 튜닝을 위한 신호가 전기적으로 제어되어야 하며, 신호 조절을 위한 미세 제어가 되어야 한다.
공진 모드가 일어나는 위치 및 주파수 튜닝을 통해 큐빗 특성을 제어할 수 있는 3차원 트랜스몬 큐빗 장치를 제공한다.
일 유형에 따른 3차원 트랜스몬 큐빗 장치는, 몸체부와; 상기 몸체부 내부 공간에 배치되는 트랜스몬 요소와; 상기 몸체부 내부 공간에 설치되며, 제1 및 제2초전도 금속 패널을 각각 포함하며, 상기 트랜스몬 요소를 사이에 두고 상기 제1 및 제2초전도 금속 패널 사이의 간격 조정가능한 제1 및 제2튜너블 캐버티 모듈과; 상기 제1 및 제2초전도 금속 패널 사이의 간격을 조정하여 3차원 캐버티를 조정함으로써 공진 주파수를 튜닝하는 구동부;를 포함한다.
상기 제1튜너블 캐버티 모듈은, 상기 제1초전도 금속 패널과 제1슬라이딩 결합부로 연결되는 제1대향 패널을 포함하며, 상기 제2튜너블 캐버티 모듈은, 상기 제2초전도 금속 패널과 제2슬라이딩 결합부로 연결되는 제2대향 패널을 포함하며, 상기 제1슬라이딩 결합부는, 상기 제1초전도 금속 패널과 상기 제1대향 패널 사이의 간격 조정시 상기 제1초전도 금속 패널의 이동을 가이드 하도록 마련되고, 상기 제2슬라이딩 결합부는, 상기 제2초전도 금속 패널과 상기 제2대향 패널 사이의 간격 조정시 상기 제2초전도 금속 패널의 이동을 가이드 하도록 마련될 수 있다.
상기 제1 및 제2슬라이딩 결합부 각각은 서로 슬라이딩 삽입 결합된 한쌍의 레일을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2슬라이딩 결합부 각각은 복수개 구비될 수 있다.
상기 구동부에 의해 상기 제1초전도 금속 패널과 제1대향 패널 사이의 간격, 상기 제2초전도 금속 패널과 제2대향 패널 사이의 간격이 각각 조정되며, 이에 의해 상기 제1 및 제2초전도 금속 패널 사이의 간격이 조정되도록 마련될 수 있다.
상기 구동부는, 상기 제1초전도 금속 패널과 제1대향 패널 사이의 간격을 조정하도록 상기 제1튜너블 캐버티 모듈에 마련되는 제1길이 가변 레일과; 상기 제2초전도 금속 패널과 제2대향 패널 사이의 간격을 조정하도록 상기 제2튜너블 캐버티 모듈에 마련되는 제2길이 가변 레일;을 포함할 수 있다.
상기 제1길이 가변 레일 및 상기 제2길이 가변 레일은 각각 전기 에너지에 의해 기계적 변형이 일어남으로써 길이가 가변되는 압전 액츄에이터로 이루어질 수 있다.
상기 제1초전도 금속 패널과 상기 제2초전도 금속 패널 사이의 간격은 하나의 동력원에 의해 조정될 수 있다.
상기 구동부는, 하나의 동력원과; 상기 제1 및 제2초전도 금속 패널에 각각 결합된 제1 및 제2지지 레일과; 상기 제1 및 제2지지 레일 사이에 동력을 전달하는 연결 레일 구조;를 포함하며, 상기 제1 및 제2지지 레일 중 일 레일은 상기 동력원에 의해 직접 움직임이 발생하며, 상기 제1 및 제2지지 레일 중 다른 레일은 상기 연결 레일 구조에 의해 동력원의 동력이 전달되어 움직이도록 마련될 수 있다.
상기 제1지지 레일은 상기 동력원과 상기 제1초전도 금속 패널 사이에 위치되어, 상기 동력원으로부터 제공되는 동력에 의해 상기 제1초전도 금속 패널을 이동시키며, 상기 제2지지 레일은 상기 연결 레일 구조를 통해 전달되는 상기 동력원의 동력에 의해 상기 제2초전도 금속 패널을 이동시킬 수 있다.
상기 제1 및 제2지지 레일은 톱니 레일을 포함하며, 상기 연결 레일 구조는, 상기 제1 및 제2지지 레일의 톱니 레일에 기어 결합되는 제1 및 제2톱니 기어를 포함할 수 있다.
상기 연결 레일 구조는, 상기 동력원의 구동에 의해 상기 제1지지 레일이 이동함에 따라, 상기 제1지지 레일에 맞물린 상기 제1톱니 기어의 동작에 의해 회전 가능한 제1샤프트와; 상기 제2지지 레일의 톱니 레일에 기어 결합되는 상기 제2톱니 기어로 연결되는 회전 가능한 제2샤프트와; 일단이 상기 제1샤프트의 단부와 제1수직 기어로 결합되며 타단이 상기 제2샤프트의 단부와 제2수직 기어로 결합되는 회전 가능한 전달 샤프트를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2수직 기어는 회전 방향이 서로 반대인 교차되는 헬리컬 기어를 구비할 수 있다.
상기 제2지지 레일은 상기 동력원과 상기 제2초전도 금속 패널 사이에 위치되어, 상기 동력원으로부터 제공되는 동력에 의해 상기 제2초전도 금속 패널을 이동시키며, 상기 제1지지 레일은 상기 연결 레일 구조를 통해 전달되는 상기 동력원의 동력에 의해 상기 제1초전도 금속 패널을 이동시킬 수 있다.
상기 제1 및 제2지지 레일은 톱니 레일을 포함하며, 상기 연결 레일 구조는, 상기 제1 및 제2지지 레일의 톱니 레일에 기어 결합되는 제1 및 제2톱니 기어를 포함할 수 있다.
상기 연결 레일 구조는, 상기 동력원의 구동에 의해 상기 제2지지 레일이 이동함에 따라, 상기 제2지지 레일에 맞물린 상기 제2톱니 기어의 동작에 의해 회전 가능한 제1샤프트와; 상기 제1지지 레일의 톱니 레일에 기어 결합되는 상기 제1톱니 기어로 연결되는 회전 가능한 제2샤프트와; 일단이 상기 제1샤프트의 단부와 제1수직 기어로 결합되며 타단이 상기 제2샤프트의 단부와 제2수직 기어로 결합되는 회전 가능한 전달 샤프트를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2수직 기어는 회전 방향이 서로 반대인 교차되는 헬리컬 기어를 구비할 수 있다.
상기 제1 및 제2대향 패널은 상기 몸체부의 양단에 위치될 수 있다.
상기 제1 및 제2대향 패널 사이의 간격은 일정할 수 있다.
상기 트랜스몬 요소는 상기 제1초전도 금속 패널 및 상기 제2초전도 금속 패널로부터 동일 간격 이격되게 위치될 수 있다.
실시예에 따른 3차원 트랜스몬 큐빗 장치에 따르면, 튜너블 캐버티를 적용함으로써 3차원 캐버티를 미세 조정할 수 있어, 초전도 큐빗을 튜닝하기 위한 신호의 미세 컨트롤이 가능하다.
도 1은 실시예에 따른 3차원 트랜스몬 큐빗 장치를 개략적으로 보여준다.
도 2는 도 1의 몸체부를 개략적으로 보여준다.
도 3은 도 1의 제1튜너블 캐버티 모듈 및 제2튜너블 캐버티 모듈을 보여주는 사시도이다.
도 4는 도 1의 측면도를 개략적으로 보여준다.
도 5a 및 도 5b는 구동부에 의해 제1 및 제2초전도 금속 패널 사이의 간격을 조정하기 위한 튜너블 캐버티의 구성의 일 실시예를 보여준다.
도 6은 다른 실시예에 따른 3차원 트랜스몬 큐빗 장치를 개략적으로 보여준다.
도 7은 도 6의 몸체부를 개략적으로 보여준다.
도 8은 도 6의 3차원 트랜스몬 큐빗 장치에 적용될 수 있는 하나의 동력원을 사용하는 구동부의 실시예를 개략적으로 보여준다.
도 9는 도 8의 구동부의 오퍼레이션을 예시적으로 보여준다.
도 10a 및 도 10b는 도 6의 3차원 트랜스몬 큐빗 장치의 오퍼레이션을 예시적으로 보여준다.
도 11a 및 도 11b는 rf-신호의 입력과 출력이 서로 다른 포트를 통해 이루어질 때, 실시예에 따른 3차원 트랜스몬 큐빗 장치의 3차원 캐버티 크기 조절에 따른 공진 주파수 튜닝을 보여준다.
도 12a 및 도 12b는 rf-신호의 입력과 출력이 동일 포트를 통해 이루어질 때, 실시예에 따른 3차원 트랜스몬 큐빗 장치의 3차원 캐버티 크기 조절에 따른 공진 주파수 튜닝을 보여준다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 예시적인 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 이하에서 설명되는 실시예들은 단지 예시적인 것으로, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이러한 용어들은 구성 요소들의 물질 또는 구조가 다름을 한정하는 것이 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. “상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
초전도로 제작된 캐패시터와 인덕터를 조합하면 LC 공진기를 제작할 수 있다. 이러한 초전도 LC 공진기는 양자 정보 저장은 가능하지만 제어가 되지 않는다.
트랜스몬은 전하 잡음에 대한 감도를 감소시키도록 설계된 일종의 초전도 전하 큐빗이다. 선택적인 큐빗 제어를 위한 충분한 불균일성을 유지하면서 전하 잡음에 대한 감도를 감소시키기 위해 두개의 초전도체가 용량적으로 분류되는 쿠퍼-쌍 박스로 구성될 수 있다.
3차원 트랜스몬 큐빗을 형성하기 위하여, rf-신호가 전송되는 영역인 3차원 캐버티는 큐빗 오퍼레이션에 필요한 공진 주파수 영역대를 가늠하여 디자인하여 사용될 수 있다.
실시예에 따른 3차원 트랜스몬 큐빗 장치는, 양자 컴퓨팅에 사용되는 초전도 3차원 트랜스몬을 구성하며, rf-signal 전송 매개인 3차원 캐비티(3D cavity)를 적용하는 것으로, 3차원 캐비티를 이용하여 초전도 큐빗에 전송하는 rf-signal에 대한 공진 주파수를 조절하도록 마련된다.
초전도 큐빗 중 3차원 트랜스몬 큐빗은 3차원 캐비티와 트랜스몬 요소로 구성되는데, 이러한 3차원 캐비티와 트랜스몬 요소는 3차원 트랜스몬 큐빗 장치 내부에 위치할 수 있다. 3차원 트랜스몬 큐빗 장치는, rf-signal을 통해 큐빗을 튜닝하거나, 별도의 게이트용 라인을 활용한 전기신호로 트랜스몬의 조셉슨 커플링 특성을 조절하는 것으로 큐빗 상태를 조절하는 것으로 큐빗 상태(Qubit state)를 조절하여 작동하도록 마련될 수 있다. 이러한 초전도 큐빗을 튜닝하기 위해서는 튜닝을 위한 신호가 전기적으로 제어되어야 하며, 신호 조절을 위한 미세 컨트롤이 되어야 한다. 실시예에 따른 3차원 트랜스몬 큐빗 장치에 따르면, 튜너블 캐버티를 적용함으로써 3차원 캐버티를 미세 조정할 수 있어, 초전도 큐빗을 튜닝하기 위한 신호의 미세 컨트롤이 가능하다.
도 1은 실시예에 따른 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(10)를 개략적으로 보여준다. 도 2는 도 1의 몸체부(20)를 개략적으로 보여준다. 도 3은 도 1의 몸체부(20) 내부에 설치되는 제1 및 제2튜너블 캐버티 모듈(50)(70)을 개략적으로 보여준다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 실시예에 따른 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(10)는, 내부 공간(25)이 형성되고 적어도 양단이 오픈된 몸체부(20)와, 몸체부(20) 내부에 위치되는 트랜스몬 요소(30)와, 오픈된 몸체부(20) 내부에 설치되는 튜너블 캐버티와, 튜너블 캐버티를 구동하여 공진 주파수를 튜닝하는 구동부를 포함한다. 튜너블 캐버티는 제1 및 제2초전도 금속 패널(51)(71)을 포함하며 트랜스몬 요소(30)를 사이에 두고 제1 및 제2초전도 금속 패널(51)(71)의 간격 조정이 가능하도록 마련된다.
몸체부(20)는, 적어도 양단이 오픈된 구조로서, 트랜스몬 요소(30) 및 튜너블 캐버티를 담을 수 있도록 내부 공간(25)을 가진다. 몸체부(20)는 초전도 금속 박스로 형성될 수 있다. 예를 들어, 몸체부(20)는 알루미늄을 포함한 초전도 금속 박스로 형성될 수 있으며, 이외에도 다양한 초전도 금속 물질을 이용하여 박스 형태로 형성될 수 있다. 이러한 몸체부(20)는 트랜스몬 요소(30) 및 제1 및 제2초전도 금속 패널(51)(71)을 포함하는 튜너블 캐버티를 홀딩하는 커넥터 캐버티를 구성할 수 있다.
도 2를 참조하면, 몸체부(20)의 내부 공간(25)은 적어도 4개의 면으로 둘러싸는 구조에 의해 형성될 수 있다. 몸체부(20) 내부 공간(25)을 형성하도록 둘러싸는 적어도 네 개의 면 중 적어도 하나에는 예컨대, rf-신호의 입,출력을 위한 커넥터 결합용 홀(26)(27)이 형성될 수 있다. 도 1 및 도 2에서는 몸체부(20)의 상부면에 커넥터 결합용 홀(26)(27)이 형성된 상태를 예시적으로 보여준다. 도 1 및 도 2, 그 오퍼레이션을 보인 도 5a 및 도 5b에서는 rf-신호의 입력을 위한 커넥터(13)와 출력을 위한 커넥터(11)를 결합하기 위한 두개의 홀(26)(27)이 형성된 예를 보여준다. 홀(26)(27)의 형태, 개수는 커넥터의 형상 및 구성에 따라 달라질 수 있다. rf-신호의 입력을 위한 커넥터(13)와 출력을 위한 커넥터(11)는 트랜스몬 요소(30)과 전기적으로 연결될 수 있다.
트랜스몬 요소(30)는 몸체부(20) 내부에 위치가 고정되도록 설치될 수 있다. 트랜스몬 요소(30)는 튜너블 캐버티의 제1 및 제2초전도 금속 패널(51)(71) 사이에 위치될 수 있다. 트랜스몬 요소(30)는 제1 및 제2초전도 금속 패널(51)(71) 사이 중간에 위치하도록 설치될 수 있다. 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(10)의 공진 주파수 튜닝은, 구동부에 의해 제1 및 제2초전도 금속 패널(51)(71) 사이의 간격을 조정함으로써 이루어질 수 있다.
도 1 및 도 3, 그 오퍼레이션을 보인 도 5a 및 도 5b에서는 구동부에 의해 제1 및 제2초전도 금속 패널(51)(71) 사이의 간격을 조정하기 위한 튜너블 캐버티의 구성의 일 실시예를 보여준다.
본 실시예에 있어서, 튜너블 캐버티는, 제1초전도 금속 패널(51)을 포함하는 제1튜너블 캐버티 모듈(50)과, 제2초전도 금속 패널(71)을 포함하는 제2튜너블 캐버티 모듈(70)을 포함할 수 있다.
도 3은 도 1의 제1튜너블 캐버티 모듈(50) 및 제2튜너블 캐버티 모듈(70)을 보여주는 사시도이다. 도 4는 도 1의 측면도를 개략적으로 보여준다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제1튜너블 캐버티 모듈(50)은 제1초전도 금속 패널(51)과 제1슬라이딩 결합부(57)로 연결되는 제1대향 패널(53)을 포함할 수 있다. 제1슬라이딩 결합부(57)는 제1초전도 금속 패널(51)과 제1대향 패널(53) 사이의 간격 조정시 제1초전도 금속 패널(51)의 이동을 가이드 하도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 제1슬라이딩 결합부(57)는 서로 슬라이딩 삽입 결합된 한쌍의 레일(57a)(57b)로 이루어지고, 일 레일(57b)의 단부는 제1초전도 금속 패널(51)에 결합되고, 다른 레일(57a)의 단부는 제1대향 패널(53)에 결합될 수 있다. 구동부 예컨대, 제1길이 가변 레일(55)에 의한 제1초전도 금속 패널(51)과 제1대향 패널(53) 사이의 간격 조정에 대응되게 제1슬라이딩 결합부(57)를 이루는 한쌍의 레일(57a)(57b)이 서로 슬라이딩 삽입되는 길이가 조정되어 제1슬라이딩 결합부(57)의 전체 길이가 변화될 수 있다.
제2튜너블 캐버티 모듈(70)은 제2초전도 금속 패널(71)과 제2슬라이딩 결합부(77)로 연결되는 제2대향 패널(73)을 포함할 수 있다. 제2슬라이딩 결합부(77)는 제2초전도 금속 패널(71)과 제2대향 패널(73) 사이의 간격 조정시 제2초전도 금속 패널(71)의 이동을 가이드하도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 제2슬라이딩 결합부(77)는 서로 슬라이딩 삽입 결합된 한쌍의 레일(77a)(77b)로 이루어지고, 일 레일(77b)의 단부는 제2초전도 금속 패널(71)에 결합되고, 다른 레일(77a)의 단부는 제2대향 패널(73)에 결합될 수 있다. 구동부 예컨대, 제2길이 가변 레일(75)에 의한 제2초전도 금속 패널(71)과 제2대향 패널(73) 사이의 간격 조정에 대응되게 제2슬라이딩 결합부(77)를 이루는 한쌍의 레일(77a)(77b)이 서로 슬라이딩 삽입되는 길이가 조정되어 제2슬라이딩 결합부(77)의 전체 길이가 변화될 수 있다.
도 1 내지 도 4에서는 제1슬라이딩 결합부(57)와 제2슬라이딩 결합부(77)가 각각 네 곳에서 균형 있게 제1초전도 금속 패널(51)과 제1대향 패널(53) 사이, 제2초전도 금속 패널(71)과 제2대향 패널(73) 사이의 간격 가변 가능한 결합을 지지하는 경우를 예시적으로 보여주는데, 제1슬라이딩 결합부(57)와 제2슬라이딩 결합부(77)가 설치되는 개수 및 위치는 다양하게 변형될 수 있다.
또한, 도 1 내지 도 4에서는 제1슬라이딩 결합부(57)와 제2슬라이딩 결합부(77)가 한쌍의 레일이 서로 슬라이딩 삽입 결합되는 구조로 이루어진 경우를 예시적으로 보여주는데, 제1슬라이딩 결합부(57)와 제2슬라이딩 결합부(77)의 구조는 다양하게 변형될 수 있다.
한편, 본 실시예에 있어서, 구동부는 튜너블 캐버티를 이루는 제1초전도 금속 패널(51)과 제2초전도 금속 패널(71) 사이의 간격을 조정하도록, 제1초전도 금속 패널(51)과 제1대향 패널(53) 사이의 간격을 조정하는 제1구동부 예컨대, 제1길이 가변 레일(55)과, 제2초전도 금속 패널(71)과 제2대향 패널(73) 사이의 간격을 조정하는 제2구동부 예컨대, 제2길이 가변 레일(75)을 포함할 수 있다. 제1대향 패널(53) 및 제2대향 패널(73)은 각각 몸체부(20)의 오픈된 양 단부(21)(23)측에 위치가 고정되고, 제1 및 제2구동부를 구성하는 제1 및 제2길이 가변 레일(55)(75) 구동에 의해, 제1초전도 금속 패널(51)과 제1대향 패널(53) 사이의 간격 및 제2초전도 금속 패널(71)과 제2대향 패널(73) 사이의 간격을 각각 조정하면, 제1초전도 금속 패널(51)과 제2초전도 금속 패널(71) 사이의 간격이 조정될 수 있다.
이를 위하여, 제1구동부를 구성하는 제1길이 가변 레일(55)은 제1튜너블 캐버티 모듈(50)에 마련되며 제1초전도 금속 패널(51)과 제1대향 패널(53) 사이에 결합되어 제1초전도 금속 패널(51)과 제1대향 패널(53) 사이의 간격을 조정한다. 제2구동부를 구성하는 제2길이 가변 레일(75)은 제2튜너블 캐버티 모듈(70)에 마련되며 제2초전도 금속 패널(71)과 제2대향 패널(73) 사이에 결합되어 제2초전도 금속 패널(71)과 제2대향 패널(73) 사이의 간격을 조정한다. 제1길이 가변 레일(55) 및 제2길이 가변 레일(75)은 구동원으로부터 공급되는 전기 에너지에 의해 기계적 변형이 일어남으로써 길이가 가변되도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 제1길이 가변 레일(55) 및 제2길이 가변 레일(75)은 압전 액츄에이터로 이루어질 수 있다. 제1길이 가변 레일(55) 및 제2길이 가변 레일(75)은 하나의 구동원으로부터 전기 에너지를 공급 받거나 각각의 구동원으로부터 전기 에너지를 공급 받을 수 있다.
제1길이 가변 레일(55) 및 제2길이 가변 레일(75)이 하나의 구동원 또는 각각의 구동원으로부터 전기 에너지를 공급 받는 두 경우 모두, 실시예에 따른 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(10)는 제1길이 가변 레일(55) 및 제2길이 가변 레일(75) 각각의 구동에 의해 제1초전도 금속 패널(51)과 제2초전도 금속 패널(71) 사이의 간격이 조정하므로, 예를 들어, 두개의 동력원을 적용하는 것에 해당할 수 있다.
본 실시예에서는 제1구동부가 하나의 제1길이 가변 레일(55)을 포함하고, 제2구동부가 하나의 제2길이 가변 레일(75)을 포함하는 경우를 보여주는데, 이는 예시적인 것으로, 길이 가변 레일의 개수는 필요한 개수만큼 사용될 수 있다.
한편, 제1초전도 금속 패널(51)과 제2초전도 금속 패널(71) 사이의 안정적인 간격 조정이 이루어질 수 있도록, 제1길이 가변 레일(55)은 복수의 제1슬라이딩 결합부(57) 배치의 중심에 위치하고, 제2길이 가변 레일(75)은 복수의 제2슬라이딩 결합부(77) 배치의 중심에 위치하도록 마련될 수 있다. 또한, 제1길이 가변 레일(55)과 제2길이 가변 레일(75)은 동일 축 상에 위치할 수 있다. 이와 같이, 제1 및 제2길이 가변 레일(75)을 동일 축상에 튜너블 캐버티의 중심에 배치함으로써, 제1초전도 금속 패널(51)과 제1대향 패널(53) 사이의 간격 조정, 제2초전도 금속 패널(71)과 제2대향 패널(73) 사이의 간격 조정에 의해 제1 및 제2초전도 금속 패널(51)(71) 사이의 간격 조정이 안정적으로 이루어질 수 있다.
한편, 도 3을 참조하면, 제1튜너블 캐버티 모듈(50)의 제1초전도 금속 패널(51)과 제1대향 패널(53), 그 둘 사이의 예컨대, 4개의 제1슬라이딩 결합부(57)와 제1구동부를 구성하는 하나의 제1길이 가변 레일(55)은 모듈을 이룰 수 있다. 제2튜너블 캐버티 모듈(70)의 제2초전도 금속 패널(71)과 제2대향 패널(73), 그 둘 사이의 예컨대, 4개의 제2슬라이딩 결합부(77)와 제2구동부를 구성하는 하나의 제2길이 가변 레일(75)은 모듈을 이룰 수 있다.
여기서, 제1튜너블 캐버티 모듈(50) 측에 4개의 제1슬라이딩 결합부(57)와 하나의 제1길이 가변 레일(55)을 포함하고, 제2튜너블 캐버티 모듈(70) 측에 4개의 제2슬라이딩 결합부(77)와 하나의 제2길이 가변 레일(75)을 포함하는 경우를 예시적으로 보여주는데, 슬라이딩 결합부 및 길이 가변 레일의 개수는 다양하게 변화될 수 있다.
제1길이 가변 레일(55)이 설치된 제1튜너블 캐버티 모듈(50)과 제2길이 가변 레일(75)이 설치된 제2튜너블 캐버티 모듈(70)은 도 2에서와 같은 몸체부(20)의 오픈된 양단을 통해 삽입 설치될 수 있다. 예를 들어, 트랜스몬 요소(30)를 몸체부(20) 내부 공간(25)에 위치시킨 상태에서, 제1튜너블 캐버티 모듈(50)을 몸체부(20)의 오픈된 예컨대, 왼쪽 단부(21)를 통해 몸체부(20) 내부 공간(25)으로 삽입 설치하고, 제2튜너블 캐버티 모듈(70)을 몸체부(20)의 오픈된 예컨대, 오른쪽 단부(23)를 통해 몸체부(20) 내부 공간(25)으로 삽입 설치할 수 있다. 이 경우, 트랜스몬 요소(30)가 튜너블 캐버티의 제1 및 제2초전도 금속 패널(51)(71) 사이에 위치하게 된다.
이때, 제1 및 제2대향 패널(53)(73)은 몸체부(20)의 양단에 위치하게 되며, 제1 및 제2대향 패널(53)(73) 사이의 간격을 일정할 수 있다. 또한, 트랜스몬 요소(30)는 제1초전도 금속 패널(51) 및 제2초전도 금속 패널(71)로부터 동일 간격 이격되게 위치될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 실시예에 따른 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(10)의 오퍼레이션을 예시적으로 보여준다. 도 5a는 제1초전도 금속 패널(51)과 제2초전도 금속 패널(71) 사이가 가깝도록 조정된 상태를 보여준다. 도 5b는 제1초전도 금속 패널(51)과 제2초전도 금속 패널(71) 사이가 멀도록 조정된 상태를 보여준다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 제1길이 가변 레일(55)을 구동함에 의해 상기 제1초전도 금속 패널(51)과 제1대향 패널(53) 사이의 간격이 조정될 수 있으며, 제2길이 가변 레일(75)을 구동함에 의해 제2초전도 금속 패널(71)과 제2대향 패널(73) 사이의 간격이 조정될 수 있으며, 이에 의해 제1 및 제2초전도 금속 패널(51)(71) 사이의 간격이 조정될 수 있으며, 이에 따라 튜너블 캐버티의 공진기 길이가 조정되고 몸체부(20)의 유효 내부 공간(25) 크기가 조정되어 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(10)의 공진 주파수가 튜닝될 수 있다.
이때, 제1초전도 금속 패널(51)과 제1대향 패널(53) 사이의 간격, 제2초전도 금속 패널(71)과 제2대향 패널(73) 사이의 간격은 동시에 조정될 수 있다. 다른 예로서, 제1초전도 금속 패널(51)과 제1대향 패널(53) 사이의 간격과, 제2초전도 금속 패널(71)과 제2대향 패널(73) 사이의 간격은 서로 다르게 조정될 수도 있다.
이와 같이, 제1 및 제2길이 가변 레일(55)(75)을 구동하여, 제1초전도 금속 패널(51)과 제1대향 패널(53) 사이의 간격, 제2초전도 금속 패널(71)과 제2대향 패널(73) 사이의 간격을 조정함으로써, 몸체부(20)의 내부 공간(25)에서 제1 및 제2초전도 금속 패널(51)(71) 사이의 간격이 조정되어, 몸체부(20) 내부 공간(25)의 유효 크기 즉, 3차원 캐버티가 조정될 수 있으며,이에 따라 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(10)의 공진 주파수가 튜닝될 수 있다.
본 실시예에 따른 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(10)에 따르면, 튜너블 캐버티와 몸체부(20)를 아울러 트랜스몬 요소(30)를 위한 캐버티를 구성함으로써, 튜닝되는 공진 주파수 범위가 트랜스몬의 주파수 범위를 아우르는 값으로서, 약 4-20 GHz대의 공진 주파수를 아우를 수 있는 범위에서 튜닝이 이루어질 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(10)에 따르면, 제1초전도 금속 패널(51)과 제2초전도 금속 패널(71)의 위치를 각각 따로 조절할 수 있으므로, 공진 모드가 일어나는 위치를 추정하여 Q-factor를 높임으로써 rf-신호에 대한 노이즈를 최소화시킬 수 있다.
이상에서와 같이, 실시예에 따른 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(10)에 따르면, 몸체부(20) 내부에 튜너블 3차원 캐버티와 트랜스몬 요소(30)가 위치하여, 초전도 큐빗에 전송하는 rf-신호에 대한 공진 주파수를 조절할 수 있으며, 공진 모드가 일어나는 위치 및 주파수 튜닝을 통해 큐빗의 특성을 제어할 수 있다. 이러한 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(10)에 따르면, 예를 들어 약 4-20 GHz 영역 내의 조셉슨 커플링 에너지 영역에 맞춰 튜닝이 가능하도록 3차원 캐버티의 크기를 조절할 수 있다.
즉, 제1튜너블 캐버티 모듈(50) 및 제2튜너블 캐버티 모듈(70)을 포함하는 튜너블 캐버티를 몸체부(20) 내부 공간(25)에 홀딩하여, 튜너블 캐버티와 몸체부(20)를 하나의 트랜스몬 요소(30)를 위한 캐버티가 되도록 구성할 수 있으며, 튜닝되는 범위(range)는 트랜스몬 요소(30)의 주파수 범위(frequency range)를 아우르는 값으로서 예컨대 약 4-20 GHz 대의 공진 주파수를 아우를 수 있다.
이때, 제1튜너블 캐버티 모듈(50) 및 제2튜너블 캐버티 모듈(70)에서의 제1초전도 금속 패널(51)과 제2초전도 금속 패널(71)의 위치를 각각 따로 조절하여 공진 모드가 일어나는 위치를 추정하여 Q-factor를 높임으로써 rf-신호에 대한 노이즈를 최소화시킬 수 있어, 큐빗 제어 성능이 향상될 수 있다.
이상에서는 실시예에 따른 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(10)가 튜너블 캐버티를 구성하는 제1초전도 금속 패널(51)과 제2초전도 금속 패널(71)을 조정하기 위한 동력원을 각각 사용하도록 된 경우를 예를 들어 설명 및 도시하였는데, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 실시예에 따른 3차원 트랜스몬 큐빗 장치는 하나의 동력원으로 튜너블 캐버티를 구성하는 제1초전도 금속 패널(51)과 제2초전도 금속 패널(71) 사이의 간격을 조정하도록 구성될 수도 있다.
도 6은 다른 실시예에 따른 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(100)를 개략적으로 보여준다. 도 7은 도 6의 몸체부(120)를 개략적으로 보여준다. 본 실시예의 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(100)는, 도 1 내지 도 3의 실시예와 튜너블 캐버티를 구동하여 공진 주파수를 튜닝하는 구동부의 구성에 차이가 있으며, 이러한 구동부 구현이 가능하도록 몸체부(120) 형상을 일부 변경한 점에 차이가 있다. 전술한 실시예에 따른 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(10)에서와 실질적으로 동일한 구성은 동일 참조부호로 표기하고 가능한 한 반복적인 설명은 생략한다.
본 실시예에 있어서, 구동부는 튜너블 캐버티의 제1초전도 금속 패널(51)과 제2초전도 금속 패널(71) 사이의 간격을 조정하기 위해 하나의 동력원을 사용하는 구조로, 제1 및 제2초전도 금속 패널(51)(71)과 각각 결합된 제1 및 제2지지 레일(155)(175)과, 동력원의 동력을 제1지지 레일(155)로 전달하는 연결 레일 구조(160)를 포함하며, 제2지지 레일(175)은 동력원에 의해 직접 움직임이 발생하며, 연결 레일 구조(160)에 의해 동력원의 동력이 제1지지 레일(155)로 전달되도록 마련될 수 있다. 여기서는 제2지지 레일(175)이 동력원에 의해 직접적으로 움직임이 발생하며, 동력원의 동력이 연결 레일 구조(160)에 의해 제1지지 레일(155)로 전달되는 경우를 예를 들어 설명하는데, 실시예에 따른 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(100)는, 제1지지 레일(165)이 동력원에 의해 직접적으로 움직임이 발생하며, 동력원의 동력이 연결 레일 구조(160)에 의해 제2지지 레일(175)로 전달되도록 마련될 수도 있다. 이하에서는, 제2지지 레일(175)은 동력원에 의해 직접 움직임이 발생하며, 연결 레일 구조(160)에 의해 동력원의 동력이 제1지지 레일(155)로 전달되는 경우를 예를 들어 설명한다.
본 실시예에 있어서, 튜너블 캐버티는 전술한 실시예에서와 마찬가지로, 제1초전도 금속 패널(51)을 포함하는 제1튜너블 캐버티 모듈(50)과, 제2초전도 금속 패널(71)을 포함하는 제2튜너블 캐버티 모듈(70)에 의해 구현될 수 있다. 즉, 제1튜너블 캐버티 모듈(50)은 제1초전도 금속 패널(51)과 제1슬라이딩 결합부(57)로 연결되는 제1대향 패널(53)을 포함할 수 있다. 제2튜너블 캐버티 모듈(70)은 제2초전도 금속 패널(71)과 제2슬라이딩 결합부(77)로 연결되는 제2대향 패널(73)을 포함할 수 있다. 이때, 제1슬라이딩 결합부(57)는 연결 레일 구조(160)의 의해 전달된 동력에 따라 제1지지 레일(155)의 움직임 발생시 제1초전도 금속 패널(51)의 이동을 가이드 할 수 있다. 제2슬라이딩 결합부(77)는 제2지지 레일(175)의 움직임 발생시 제2초전도 금속 패널(71)의 이동을 가이드 할 수 있다.
이때, 제1 및 제2대향 패널(53)(73)은 몸체부(120)의 양단에 위치하게 되며, 제1 및 제2대향 패널(53)(73) 사이의 간격은 일정할 수 있다. 또한, 트랜스몬 요소(30)는 제1초전도 금속 패널(51) 및 제2초전도 금속 패널(71)로부터 동일 간격 이격되게 위치될 수 있다.
본 실시예에서, 제1슬라이딩 결합부(57) 및 제2슬라이딩 결합부(77), 제1 및 제2대향 패널(53)(73) 등은 생략될 수도 있다.
한편, 본 실시예에 있어서, 몸체부(120)는, 적어도 양단(121)(123)이 오픈된 구조로서, 트랜스몬 요소(30) 및 튜너블 캐버티를 담을 수 있도록 내부 공간(25)을 가지며, 전술한 몸체부(20)와 마찬가지로 초전도 금속 박스로 형성될 수 있다. 예를 들어, 몸체부(120)는 알루미늄을 포함한 초전도 금속 박스로 형성될 수 있으며, 이외에도 다양한 초전도 금속 물질을 이용하여 박스 형태로 형성될 수 있다.
이러한 몸체부(120)는 트랜스몬 요소(30) 및 제1 및 제2초전도 금속 패널(51)(71)을 포함하는 튜너블 캐버티, 제1지지 레일(165)이 동력원에 의해 직접적으로 움직임이 발생하며, 동력원의 동력이 연결 레일 구조(160)에 의해 제2지지 레일(175)로 전달되도록 하는 구조 등을 홀딩하는 커넥터 캐버티를 구성할 수 있다.
도 7을 참조하면, 몸체부(120)의 내부 공간(25)은 적어도 4개의 면으로 둘러싸는 구조에 의해 형성될 수 있다. 몸체부(120) 내부 공간(25)을 형성하도록 둘러싸는 적어도 네 개의 면 중 적어도 하나에는 예컨대, rf-신호의 입,출력을 위한 커넥터 결합용 홀(126)(127)이 형성될 수 있다. 도 6 및 도 7에서는 몸체부(120)의 상부면에 커넥터 결합용 홀(126)(127)이 형성된 상태를 예시적으로 보여준다. 도 6 및 도 7, 그 오퍼레이션을 보인 도 10a 및 도 10b에서는 rf-신호의 입력을 위한 커넥터(13)와 출력을 위한 커넥터(11)를 결합하기 위한 두개의 홀(126)(127)이 형성된 예를 보여준다. 홀의 형태, 개수는 커넥터의 형상 및 구성에 따라 달라질 수 있다. rf-신호의 입력을 위한 커넥터(13)와 출력을 위한 커넥터(11)는 트랜스몬 요소(30)와 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 본 실시예에 있어서, 몸체부(120)의 양단에는 구동부의 연결 레일 구조(160)의 설치가 가능하도록 예컨대, 상,하부면에 비해 앞면과 뒷면이 인입된 구조로 형성될 수 있다. 도 7에서 121a, 123a는 몸체부(120)의 양단(121)(123)에서 앞면과 뒷면에 비해 상,하부면의 돌출 부분을 나타낸다.
도 8은 도 6의 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(100)에 적용될 수 있는 하나의 동력원(180)을 사용하는 구동부의 실시예를 개략적으로 보여준다. 도 8에서는 제2지지 레일(175)에 동력원(180)이 연결되고, 제1지지 레일(155)에 대향되게 무동력원(185)이 연결된 예를 보여준다. 제1지지 레일(155)에 동력원(180)이 연결되고, 제2지지 레일(175)에 무동력원(185)이 연결될 수도 있다.
도 8을 참조하면, 제1 및 제2지지 레일(155)(175)은 톱니 레일 형태로 형성될 수 있다. 제2지지 레일(175)은 예를 들어 동력원(180)에 의해 이동되어 제2초전도 금속 패널(751)의 위치를 조정할 수 있다. 연결 레일 구조(160)는, 제2지지 레일(175)의 톱니 레일과 톱니 기어(167)로 연결되어, 동력원(180)의 구동에 의해 제2지지 레일(175)의 톱니 레일이 이동함에 따라 제2지지 레일(175)의 톱니 레일에 맞물린 톱니 기어(167)의 동작에 의해 회전 가능한 제1샤프트(163)와, 제2지지 레일(175)의 톱니 레일과 톱니 기어(168)로 연결되는 회전 가능한 제2샤프트(165)와, 일단이 제1샤프트(163)의 단부와 제1수직 기어(162)로 결합되며 타단이 제2샤프트(165)의 단부와 제2수직 기어(164)로 결합되는 회전 가능한 전달 샤프트(161)를 포함할 수 있다. 제1샤프트(163)는 톱니 기어(167) 양쪽에 대칭으로 마련될 수 있다. 제2샤프트(165)는 톱니 기어(168) 양쪽에 대칭으로 마련될 수 있다. 전달 샤프트(161)는 톱니 기어(167) 양쪽에 대칭으로 마련된 한쌍의 제1샤프트(163)와 제1수직 기어(162)에 의해 결합되며, 톱니 기어(168) 양쪽에 대칭으로 마련된 한쌍의 제2샤프트(165)와 제2수직 기어(164)에 의해 결합되어, 한쌍의 제1샤프트(163)와 한쌍의 제2샤프트(165) 사이를 연결하도록 한쌍이 구비될 수 있다.
이때, 제2지지 레일(175)의 이동이 톱니 기어(167)를 통해 연결 레일 구조(160)로 전달되고, 연결 레일 구조(160)의 작동에 의해 톱니 기어(168)를 통해 톱니 레일 형태의 제1지지 레일(155)을 제2지지 레일(175)의 이동과 반대 방향으로 이동시켜, 제1초전도 금속 패널(51)과 제2초전도 금속 패널(71) 사이의 간격을 조정하도록, 제2샤프트(165)를 제1샤프트(163)와 반대방향으로 회전시키도록 제1 및 제2수직 기어(162)(164)는 회전 방향이 서로 반대인 교차되는 헬리컬 기어(crossed helical gear)로 마련될 수 있다.
도 9는 도 8의 구동부의 오퍼레이션을 예시적으로 보여준다.
도 9를 참조하면, 동력원(180)에 의해 제2지지 레일(175)을 중심쪽을 향하여 이동시킬 때, 제1샤프트(163)는 예컨대, 오른손 회전 방향으로 회전되고, 이 회전에 따른 제1수직 기어(162)의 회전에 의해 전달 샤프트(161)도 예컨대, 오른손 회전 방향으로 회전되면서 회전이 제2수직 기어(164)로 전달된다. 제2수직 기어(164)는 제1수직 기어(164)와 반대로 회전되도록 마련되어 있으므로, 제2샤프트(165)는 예컨대, 왼손 방향으로 회전되고, 이에 따라 톱니 기어(168)에 결합된 제1지지 레일(155)이 제2지지 레일(175)과는 반대 방향으로 이동되어 중심쪽을 향하여 이동되므로, 제1지지 레일(155)에 결합된 제1초전도 금속 패널(51)과 제2지지 레일(175)에 결합된 제2초전도 금속 패널(71)은 서로 중심쪽을 향하여 이동되어 간격이 가까워지게 된다.
반대로, 동력원(180)에 의해 제2지지 레일(175)을 중심에서 멀어지는 방향으로 이동시키면, 연결 레일 구조(160)에 의해 전달된 동력에 의해 제1지지 레일(155)도 중심에서 멀어지는 방향으로 이동하게 되며, 이에 따라 제1지지 레일(155)에 결합된 제1초전도 금속 패널(51)과 제2지지 레일(175)에 결합된 제2초전도 금속 패널(71)은 서로 중심에서 멀어지는 방향으로 이동되어 간격이 멀어지게 된다.
이와 같이, 구동부를 하나의 동력원을 사용하면서, 동력원에 의해 위치가 가변되는 제2지지 레일(175)의 움직임을 연결 레일 구조(160)를 통해 제1지지 레일(155)에 전달함으로써, 제1 및 제2지지 레일(155)(175)을 서로 가까워지는 방향 또는 그 반대방향으로 이동시킴으로써, 몸체부(120)의 내부 공간(25)에서 제1 및 제2초전도 금속 패널(51)(71) 사이의 간격이 조정되어, 몸체부(120) 내부 공간(25)의 유효 크기 즉, 3차원 캐버티가 조정될 수 있으며,이에 따라 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(100)의 공진 주파수가 튜닝될 수 있다.
도 8 및 그 오퍼레이션을 보인 도 9에서는 도 6의 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(100)에 적용될 수 있는 하나의 동력원을 사용하는 구동부를 예시적으로 보인 것으로, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 실시예에 따른 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(100)에 적용되는 하나의 동력원을 사용하는 구동부는 다양한 구성을 가질 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 도 6을 참조로 설명한 다른 실시예에 따른 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(100)의 오퍼레이션을 예시적으로 보여준다. 도 10a는 제1초전도 금속 패널(51)과 제2초전도 금속 패널(71) 사이가 가깝도록 조정된 상태를 보여준다. 도 10b는 제1초전도 금속 패널(51)과 제2초전도 금속 패널(71) 사이가 멀도록 조정된 상태를 보여준다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 동력원으로부터 전달되는 동력에 따라 예를 들어, 제2지지 레일(175)이 이동되며, 이에 따라 제2초전도 금속 패널(71)과 제2대향 패널(73) 사이의 간격이 조정될 수 있으며, 동력이 연결 레일 구조(160)를 통해 제1지지 레일(155)로 전달되어 제1지지 레일(155)이 이동됨에 따라 제1초전도 금속 패널(51)과 제1대향 패널(53) 사이의 간격이 조정될 수 있으며, 이에 의해 제1 및 제2초전도 금속 패널(51)(71) 사이의 간격이 조정될 수 있으며, 이에 따라 튜너블 캐버티의 공진기 길이가 조정되고 몸체부(120)의 유효 내부 공간(25) 크기가 조정되어 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(100)의 공진 주파수가 튜닝될 수 있다.
이때, 제1초전도 금속 패널(51)과 제1대향 패널(53) 사이의 간격, 제2초전도 금속 패널(71)과 제2대향 패널(73) 사이의 간격은 동일하게 조정될 수 있다. 다른 예로서, 제1초전도 금속 패널(51)과 제1대향 패널(53) 사이의 간격과, 제2초전도 금속 패널(71)과 제2대향 패널(73) 사이의 간격은 서로 다르게 조정될 수도 있다. 제1초전도 금속 패널(51)과 제1대향 패널(53) 사이의 간격, 제2초전도 금속 패널(71)과 제2대향 패널(73) 사이의 간격을 동일하게 조정하거나 서로 다르게 조정하는 것은 예를 들어, 동력원으로부터 동력을 전달하는 연결 레일 구조(160)에 따라 정해질 수 있다. 예를 들어, 연결 레일 구조(160)를 동력원으로부터 동력에 따른 제1지지 레일(155)의 위치 이동이 제2지지 레일(175)의 위치 이동과 동일하게 이루어지는 기어 구조를 가지도록 함으로써 이루어질 수 있다. 다른 예로서, 연결 레일 구조(160)를 동력원으로부터 동력에 따른 제1지지 레일(155)의 위치 이동이 제2지지 레일(175)의 위치 이동과 다르게 이루어지는 기어 구조를 가지도록 함으로써 이루어질 수도 있다.
이상에서와 같이, 실시예에 따른 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(100)에 따르면, 몸체부(120) 내부에 튜너블 3차원 캐버티와 트랜스몬 요소(30)가 위치하여, 초전도 큐빗에 전송하는 rf-신호에 대한 공진 주파수를 조절할 수 있으며, 공진 모드가 일어나는 위치 및 주파수 튜닝을 통해 큐빗의 특성을 제어할 수 있다. 이러한 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(100)에 따르면, 예를 들어 약 4-20 GHz 영역 내의 조셉슨 커플링 에너지 영역에 맞춰 튜닝이 가능하도록 3차원 캐버티의 크기를 조절할 수 있다.
즉, 제1튜너블 캐버티 모듈(50) 및 제2튜너블 캐버티 모듈(70)을 포함하는 튜너블 캐버티를 몸체부(120) 내부 공간(25)에 홀딩하여, 튜너블 캐버티와 몸체부(20)(120)를 하나의 트랜스몬 요소(30)를 위한 캐버티가 되도록 구성할 수 있으며, 튜닝되는 범위(range)는 트랜스몬 요소(30)의 주파수 범위(frequency range)를 아우르는 값으로서 예컨대 약 4-20 GHz 영역대의 공진 주파수를 아우를 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 rf-신호의 입력과 출력이 서로 다른 포트를 통해 이루어질 때, 실시예에 따른 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(10)(100)의 3차원 캐버티 크기 조절에 따른 공진 주파수 튜닝을 보여준다. 3차원 캐버티 크기 조절은 제1 및 제2초전도 금속 패널(51)(71) 사이의 간격(W)에 대응한다. rf-신호의 입력과 출력이 서로 다른 포트를 통해 이루어지는 경우, rf-신호의 출력은 투과 신호에 해당할 수 있다.
도 12a 및 도 12b는 rf-신호의 입력과 출력이 동일 포트를 통해 이루어질 때, 실시예에 따른 3차원 트랜스몬 큐빗 장치(10)(100)의 3차원 캐버티 크기 조절에 따른 공진 주파수 튜닝을 보여준다. 3차원 캐버티 크기 조절은 제1 및 제2초전도 금속 패널(51)(71) 사이의 간격(W)에 대응한다. rf-신호의 입력과 출력이 동일 포트를 통해 이루어지는 경우, rf-신호의 출력은 반사 신호에 해당할 수 있다.
도 11a 및 도 12a로부터 알 수 있는 바와 같이, 3차원 캐버티 크기가 변화됨에 따라, 공진 주파수(f0)가 시프트될 수 있다. 또한, 도 11b 및 도 12b로부터 알 수 있는 바와 같이, 3차원 캐버티 크기에 따라 공진 주파수의 메인 공진 피크(Main resonance peak)가 변화됨을 알 수 있다.
10,100...트랜스몬 큐빗 장치 20,120...몸체부
21,23,121,123...양단 25...내부 공간
30...트랜스몬 요소 50,70...제1 및 제2튜너블 캐버티 모듈
51,71...제1 및 제2초전도 금속 패널 53,73...제1 및 제2대향 패널
55,75...제1 및 제2길이 가변 레일 57,77...제1 및 제2슬라이딩 결합부
57a,57b,77a,77b...레일 155,175...제1 및 제2지지 레일
160...연결 레일 구조 161...전달 샤프트
162,164...제1 및 제2수직 기어 163,165...제1 및 제2샤프트
167,168...톱니 기어 180...동력원
185...무동력원

Claims (20)

  1. 몸체부와
    상기 몸체부 내부 공간에 배치되는 트랜스몬 요소와;
    상기 몸체부 내부 공간에 설치되며, 제1 및 제2초전도 금속 패널을 각각 포함하며, 상기 트랜스몬 요소를 사이에 두고 상기 제1 및 제2초전도 금속 패널 사이의 간격 조정가능한 제1 및 제2튜너블 캐버티 모듈과;
    상기 제1 및 제2초전도 금속 패널 사이의 간격을 조정하여 3차원 캐버티를 조정함으로써 공진 주파수를 튜닝하는 구동부;를 포함하는 3차원 트랜스몬 큐빗 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1튜너블 캐버티 모듈은,
    상기 제1초전도 금속 패널과 제1슬라이딩 결합부로 연결되는 제1대향 패널을 포함하며,
    상기 제2튜너블 캐버티 모듈은,
    상기 제2초전도 금속 패널과 제2슬라이딩 결합부로 연결되는 제2대향 패널을 포함하며,
    상기 제1슬라이딩 결합부는, 상기 제1초전도 금속 패널과 상기 제1대향 패널 사이의 간격 조정시 상기 제1초전도 금속 패널의 이동을 가이드 하도록 마련되고,
    상기 제2슬라이딩 결합부는, 상기 제2초전도 금속 패널과 상기 제2대향 패널 사이의 간격 조정시 상기 제2초전도 금속 패널의 이동을 가이드 하도록 마련되는 3차원 트랜스몬 큐빗 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2슬라이딩 결합부 각각은 서로 슬라이딩 삽입 결합된 한쌍의 레일을 포함하는 3차원 트랜스몬 큐빗 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2슬라이딩 결합부 각각은 복수개 구비되는 3차원 트랜스몬 큐빗 장치.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동부에 의해 상기 제1초전도 금속 패널과 제1대향 패널 사이의 간격, 상기 제2초전도 금속 패널과 제2대향 패널 사이의 간격이 각각 조정되며, 이에 의해 상기 제1 및 제2초전도 금속 패널 사이의 간격이 조정되도록 마련된 3차원 트랜스몬 큐빗 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 구동부는,
    상기 제1초전도 금속 패널과 제1대향 패널 사이의 간격을 조정하도록 상기 제1튜너블 캐버티 모듈에 마련되는 제1길이 가변 레일과;
    상기 제2초전도 금속 패널과 제2대향 패널 사이의 간격을 조정하도록 상기 제2튜너블 캐버티 모듈에 마련되는 제2길이 가변 레일;을 포함하는 3차원 트랜스몬 큐빗 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1길이 가변 레일 및 상기 제2길이 가변 레일은 각각 전기 에너지에 의해 기계적 변형이 일어남으로써 길이가 가변되는 압전 액츄에이터로 이루어진 3차원 트랜스몬 큐빗 장치.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1초전도 금속 패널과 상기 제2초전도 금속 패널 사이의 간격은 하나의 동력원에 의해 조정되는 3차원 트랜스몬 큐빗 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 구동부는,
    하나의 동력원과;
    상기 제1 및 제2초전도 금속 패널에 각각 결합된 제1 및 제2지지 레일과;
    상기 제1 및 제2지지 레일 사이에 동력을 전달하는 연결 레일 구조;를 포함하며,
    상기 제1 및 제2지지 레일 중 일 레일은 상기 동력원에 의해 직접 움직임이 발생하며,
    상기 제1 및 제2지지 레일 중 다른 레일은 상기 연결 레일 구조에 의해 동력원의 동력이 전달되어 움직이도록 마련된 3차원 트랜스몬 큐빗 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1지지 레일은 상기 동력원과 상기 제1초전도 금속 패널 사이에 위치되어, 상기 동력원으로부터 제공되는 동력에 의해 상기 제1초전도 금속 패널을 이동시키며,
    상기 제2지지 레일은 상기 연결 레일 구조를 통해 전달되는 상기 동력원의 동력에 의해 상기 제2초전도 금속 패널을 이동시키는 3차원 트랜스몬 큐빗 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 및 제2지지 레일은 톱니 레일을 포함하며,
    상기 연결 레일 구조는, 상기 제1 및 제2지지 레일의 톱니 레일에 기어 결합되는 제1 및 제2톱니 기어를 포함하는 3차원 트랜스몬 큐빗 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 연결 레일 구조는,
    상기 동력원의 구동에 의해 상기 제1지지 레일이 이동함에 따라, 상기 제1지지 레일에 맞물린 상기 제1톱니 기어의 동작에 의해 회전 가능한 제1샤프트와;
    상기 제2지지 레일의 톱니 레일에 기어 결합되는 상기 제2톱니 기어로 연결되는 회전 가능한 제2샤프트와;
    일단이 상기 제1샤프트의 단부와 제1수직 기어로 결합되며 타단이 상기 제2샤프트의 단부와 제2수직 기어로 결합되는 회전 가능한 전달 샤프트를 포함하는 3차원 트랜스몬 큐빗 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 및 제2수직 기어는 회전 방향이 서로 반대인 교차되는 헬리컬 기어를 구비하는 3차원 트랜스몬 큐빗 장치.
  14. 제9항에 있어서, 상기 제2지지 레일은 상기 동력원과 상기 제2초전도 금속 패널 사이에 위치되어, 상기 동력원으로부터 제공되는 동력에 의해 상기 제2초전도 금속 패널을 이동시키며,
    상기 제1지지 레일은 상기 연결 레일 구조를 통해 전달되는 상기 동력원의 동력에 의해 상기 제1초전도 금속 패널을 이동시키는 3차원 트랜스몬 큐빗 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1 및 제2지지 레일은 톱니 레일을 포함하며,
    상기 연결 레일 구조는, 상기 제1 및 제2지지 레일의 톱니 레일에 기어 결합되는 제1 및 제2톱니 기어를 포함하는 3차원 트랜스몬 큐빗 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 연결 레일 구조는,
    상기 동력원의 구동에 의해 상기 제2지지 레일이 이동함에 따라, 상기 제2지지 레일에 맞물린 상기 제2톱니 기어의 동작에 의해 회전 가능한 제1샤프트와;
    상기 제1지지 레일의 톱니 레일에 기어 결합되는 상기 제1톱니 기어로 연결되는 회전 가능한 제2샤프트와;
    일단이 상기 제1샤프트의 단부와 제1수직 기어로 결합되며 타단이 상기 제2샤프트의 단부와 제2수직 기어로 결합되는 회전 가능한 전달 샤프트를 포함하는 3차원 트랜스몬 큐빗 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1 및 제2수직 기어는 회전 방향이 서로 반대인 교차되는 헬리컬 기어를 구비하는 3차원 트랜스몬 큐빗 장치.
  18. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2대향 패널은 상기 몸체부의 양단에 위치되는 3차원 트랜스몬 큐빗 장치.
  19. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2대향 패널 사이의 간격은 일정한 3차원 트랜스몬 큐빗 장치.
  20. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 트랜스몬 요소는 상기 제1초전도 금속 패널 및 상기 제2초전도 금속 패널로부터 동일 간격 이격되게 위치되는 3차원 트랜스몬 큐빗 장치.
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