큐비트를 물리적으로 구현하는 세 가지 방법(초전도체, 이온트랩, 위상 초전도체)

기존 컴퓨터가 ‘0’과 ‘1’이라는 비트를 기본 단위로 사용한다면 양자컴퓨터는 ‘0’과 ‘1’ 이외에 이 둘이 중첩되는 ‘큐비트’를 기본 단위로 활용한다. 눈에 보이지 않는 작은 입자는 ‘중첩’ ‘얽힘’과 같은 특이한 현상이 나타나는데, 이를 양자컴퓨터에 활용하면 슈퍼컴퓨터로도 수백만년이 걸리는 작업을 단 몇 분 만에 해결할 수 있다.

 

 

 

양자컴퓨터는 큐비트를 물리적으로 구현해야 하는데, 크게 세 가지 방식을 활용한다. 바로 ‘초전도체’, ‘이온트랩’, ‘위상 초전도체’ 이다.

 

 

 

 

초전도체는 말 그대로 ‘초전도체’를 활용한다. 초전도체의 특징은 저항이 ‘0’이다. 두 개의 초전도체 사이에 얇은 절연층을 놓으면 양자상태가 만들어지고, 이때 외부에 전압이나 자기장을 조절해 큐비트를 조작할 수 있다. 이 방식은 연산 속도가 빠른 것으로 알려져 있다. 또한 반도체 기술을 활용해서 대량생산에도 쉽다고 알려져 있다. 구글과 IBM이 이 방식을 사용한다. 다만 큐비트가 매우 불안정해서 상태가 쉽게 깨진다는 단점이 있다.

 

 

 

구글에서 개발한 양자칩 <윌로우>

---

IBM이 개발한 양자칩 <퀀텀 헤론>

 

 

 

 

두 번째 방법은 ‘이온 트랩’ 방식이다. 양자컴퓨터를 고객에게 실제로 납품하는 미국의 기업 ‘아이온큐’가 이 방식을 사용한다. ‘이온 트랩’ 방식은 전기장을 이용해 이온을 공중에 띄운 뒤 레이저를 쏴서 차갑게 냉각시킨다. 이 과정에서 양자상태가 만들어진다. 이 방식은 연산 정확도가 높지만 큐비트 수를 늘리는 게 어렵다고 한다.

 

 

 

마지막으로 ‘위상 초전도체’ 방식이다. 초전도체와 방식은 비슷한데 조금 다르다. 독특한 구조를 가진 초전도체는 ‘마요나라 준입자’라는 것을 만들어 낸다. 여기서 만들어진 큐비트는 외부 환경의 영향을 덜 받아서 오류율이 낮다고 알려져 있다. 이를 구현해 낸다면 양자컴퓨터 큐비트를 빠르게 늘릴 수 있는데 아직 구현된 사례가 없다.

 

 

 

 

쉽게 예를 들면, 초전도체 방식이 빙판 위에서 스케이트를 타는 것과 같다면 위상 초전도체는 롤러코스터 트랙과 유사하다고 보면 된다. 스케이트는 빙판이 거칠거나 불순물이 있으면 쉽게 걸려 넘어질 수 있는데, 전자의 움직임이 방해받으면서 큐비트가 깨지는 현상으로 볼 수 있다. 이것이 바로 초전도체 방식이다. 하지만 롤러코스터는 만드는 게 어렵다. 하지만 ‘잘’ 만들면 미리 설계된 경로를 따라 움직이는 만큼 비가 오나 눈이 오나 작동이 가능하다. 만약 지나가는 새가 트랙에 똥을 싸도 롤러코스터는가 운행하는데 전혀 방해가 되지 않는다. 이처럼 ‘위상 초전도체’ 방식도 안정적인 큐비트의 상태 구현이 가능하다는 것이다.

 

 

 

최근 MS가 바로 이 방식으로 양자칩을 만들었다고 발표했다. 이를 기반으로 향후 큐비트 수를 100만개까지 확장할 것이라고 주장했다. 현재 구글과 IBM이 개발한 양자컴퓨터 큐비트 수가 약 1000개 수준임을 고려하면 이들을 단번에 뛰어넘겠다는 의지를 밝힌 것이다.

 

 

 

MS가 개발한 양자칩 <마요나라1>

 

 

 

다만 학계에서는 MS의 이번 발표가 연구적(학술적) 성과는 있을지 모르나, 당장 현실에 상용화하기에는 여전히 멀었다는 평가다. MS연구진 조차도 뉴욕타임스에 이렇게 전했다. “아직 계산을 수행할 수 없었다/they were not yet able to perform calculations” 즉, 새로운 양자컴퓨터, 오류율이 낮고 큐비트를 안정적으로 유지할 수 있는 방법을 찾았는데, 아직 큐비트가 제대로 작동하는지를 보여주지는 못한 것이다. 즉, 컴퓨터가 실제로 연산이나 계산을 하듯이 양자컴퓨터도 결국 큐비트를 활용해 연산이나 계산을 해야 하는데 이 단계까지는 보여주지 못한 것이다. 하지만 MS는 계속 이 분야에 대해 지속적인 연구를 추진하고 있으니 다음 연구결과가 얼마나 진전을 보일는지 지켜볼 일이다.