양자컴퓨터 혁신: 기존 설계보다 15배 오래가는 획기적인 큐비트 개발¶
원제목: Record-Breaking Qubits Are Stable for 15 Times Longer Than Google and IBM’s Designs
핵심 요약
- 프린스턴대 연구진이 기존 양자컴퓨터 큐비트의 정보 유지 시간을 15배 늘리는 데 성공했음.
- 새로운 큐비트는 기존 구글, IBM 등 업계 표준 설계와 호환성이 높아 기존 양자 프로세서에 적용 가능성을 높였음.
- 이번 성과는 양자컴퓨터의 가장 큰 난제 중 하나인 '결맞음 시간(coherence time)' 단축을 해결하여 실용적인 양자 컴퓨터 개발에 한 걸음 더 다가섰음을 의미함.
상세 내용¶
양자 컴퓨터 개발의 가장 큰 난제 중 하나는 큐비트가 정보를 얼마나 오랫동안 안정적으로 유지할 수 있는지입니다. 정보 유지 시간이 짧으면 양자 컴퓨터는 연산을 수행하기 전에 오류에 취약해지고, 이는 대규모의 오류 허용 가능한 양자 시스템 구축에 큰 걸림돌이 됩니다. 최근 프린스턴 대학교 연구팀이 이러한 문제를 해결할 수 있는 획기적인 큐비트를 개발했다고 발표했습니다. 이 새로운 큐비트는 기존 산업 표준 큐비트보다 무려 15배나 더 긴 정보 유지 시간을 자랑하며, 이는 실용적인 양자 컴퓨터 시대로 나아가는 중요한 발걸음으로 평가받고 있습니다.
큐비트가 정보를 잃는 현상을 '결맞음 상실(decoherence)'이라고 합니다. 결맞음 상실 속도가 빠를수록 양자 컴퓨터는 연산을 수행할 시간이 줄어들고 계산 결과에 더 많은 오류가 발생합니다. 현재 많은 연구와 기업들이 오류 수정 기술을 통해 이 문제를 완화하려 노력하고 있지만, 큐비트 자체의 안정성을 높이는 것이 보다 근본적인 해결책이 될 수 있습니다. 예를 들어, 이온 트랩이나 중성 원자 큐비트는 수 초의 결맞음 시간을 가질 수 있지만, 구글이나 IBM이 사용하는 초전도 큐비트는 100마이크로초(μs) 이하의 짧은 시간만이 가능했습니다.
이러한 '트랜스몬(transmon)' 큐비트는 빠른 연산 속도라는 장점을 가지고 있지만, 짧은 정보 유지 시간은 큰 단점이었습니다. 프린스턴 대학교 팀은 이제 1.6밀리초(ms)까지 결맞음 시간을 늘린 새로운 트랜스몬 큐비트를 설계했습니다. 이는 현재 업계 표준 큐비트보다 15배 길며, 실험실 최고 기록보다도 3배나 긴 수치입니다. 연구를 공동으로 이끈 앤드류 하우크 교수는 "이번 발전은 양자 컴퓨팅을 가능성만 있는 영역에서 실용적인 영역으로 끌어올렸다"며 "이제 우리는 훨씬 더 빠르게 진전을 이룰 수 있을 것"이라고 밝혔습니다.
연구팀의 새로운 접근 방식은 트랜스몬 큐비트 설계의 오랜 문제점을 해결합니다. 일반적으로 알루미늄과 같은 금속에서 발생하는 미세한 표면 결함은 회로를 통과하는 에너지를 흡수하여 계산에 오류를 유발했습니다. 하지만 새로운 큐비트는 이러한 결함이 훨씬 적은 탄탈륨(tantalum) 금속을 사용합니다. 연구팀은 이미 2021년부터 탄탈륨을 실험해 왔지만, 초기 버전은 사파이어 층 위에 구축되어 상당한 에너지 손실이 발생했습니다. 이를 해결하기 위해 상업적으로 고순도 제품을 구할 수 있는 실리콘 층으로 교체했습니다.
두 재료 사이에 초전도성을 유지할 만큼 깨끗한 인터페이스를 만드는 것은 어려운 과제였지만, 연구팀은 새로운 제조 공정을 통해 이를 성공적으로 해결했습니다. 또한, 실리콘은 컴퓨팅 산업에서 널리 사용되는 소재이기 때문에 새로운 큐비트는 이전 버전보다 대량 생산이 용이할 것으로 예상됩니다. 연구팀은 이 새로운 공정을 검증하기 위해 6개의 새로운 큐비트를 갖춘 완전 작동하는 양자 칩을 제작했습니다. 중요한 점은, 이 새로운 설계가 구글, IBM 등에서 사용하는 큐비트와 유사하여 기존 프로세서에 쉽게 통합되어 성능을 향상시킬 수 있다는 것입니다. 이로써 짧은 결맞음 시간으로 인해 유용한 계산을 수행하기 전에 오류에 압도되는 기존 양자 컴퓨터의 주요 제약 사항을 해소할 수 있을 것으로 기대됩니다. 물론, 이러한 설계가 실험실에서 실제 칩 공장으로 이동하는 과정은 길고 복잡할 수 있어, 기업들이 당장 이 새로운 큐비트 아키텍처로 전환할지는 미지수입니다. 그럼에도 불구하고, 이번 연구는 초전도 양자 컴퓨터의 발전을 가로막는 가장 큰 과제 중 하나를 극적으로 개선했다는 점에서 의미가 있습니다.
편집자 노트¶
이번 프린스턴 대학교의 연구 결과는 양자 컴퓨팅 분야에서 매우 중요한 진전입니다. 기존의 양자 컴퓨터, 특히 초전도 큐비트를 사용하는 방식은 연산 속도는 빠르지만 큐비트가 정보를 유지하는 시간이 극히 짧아 오류가 빈번하게 발생했습니다. 이는 마치 매우 빠르지만 쉽게 망가지는 부품으로 정교한 기계를 만드는 것과 같습니다. 이 짧은 정보 유지 시간, 즉 '결맞음 시간'의 한계를 획기적으로 늘렸다는 점은 앞으로 양자 컴퓨터가 실제로 복잡한 문제를 해결하는 데 있어 핵심적인 역할을 할 가능성을 보여줍니다.
특히 주목할 점은 이 새로운 큐비트가 기존의 구글이나 IBM 같은 선도 기업들의 설계와 호환성이 높다는 것입니다. 이는 마치 새로운 고성능 엔진을 개발했지만, 기존 자동차 모델에 그대로 장착하여 성능을 크게 향상시킬 수 있는 것과 같습니다. 덕분에 양자 컴퓨터 제조업체들이 막대한 기존 설비를 버리지 않고도 이 새로운 큐비트 기술을 점진적으로 도입하여 성능을 개선할 수 있습니다. 이는 양자 컴퓨터의 상용화 및 대중화를 가속화할 수 있는 중요한 요인으로 작용할 것입니다. 앞으로 우리는 지금보다 훨씬 빠르고 정확하게 복잡한 과학 연구, 신약 개발, 금융 모델링 등을 수행하는 양자 컴퓨터를 현실에서 만나게 될지도 모릅니다.