양자 컴퓨터 시대를 수십 년 앞당긴다?··· 마이크로소프트 마요라나 1’의 의의

양자 컴퓨팅 영역에 새로운 이정표가 출현했다. 마이크로소프트는 19일 신종 양자 처리기를 공개했다. 이 장치는 새로운 유형의 물질을 사용함으로써 “완전히 다른 유형의 큐비트”를 생성한다고 회사는 밝혔다.

마요라나 준입자(Majorana quasiparticle)의 이름을 따서 명명된 이번 ‘마요라나 1’(Majorana 1) 프로세서는 손바닥에 들어가는 크기의 단일 칩에 100만 개의 큐비트를 확장할 수 있도록 설계됐다. 목표는 실용적이고 신뢰할 수 있는 대규모 양자 컴퓨터의 출현 시기를 수십 년에서 몇 년으로 단축하는 것이라고 마이크로소프트는 밝혔다.

마요라나 1에서 적용된 신물질은 고체와 액체, 기체가 아닌 위상적 상태(topological state)를 가진다. 마이크로소프트는 이를 위해 인듐 비소와 알루미늄으로 만든 새로운 물질을 개발했는데, 이 과정에서 원자 단위의 설계와 조합을 고안해야 한 것으로 전해졌다.

마요라나 기반 위상적 큐비트는 마이크로소프트가 20년 동안 추구해 온 접근 방식이다. 위상적 큐비트는 전통적인 큐비트보다 더 안정적일 수 있다. 밧줄에 매듭이 있으면 누군가 밧줄을 잡아당겨도 매듭이 제자리에 유지되는 것과 비슷하다. 매듭의 위상적 속성이 매듭 유지를 돕는 것이다.

마이크로소프트의 기술 전문가인 체탄 나야크은 성명서에서 “한 걸음 물러서서 ‘좋아, 양자 시대를 위한 트랜지스터를 발명하자. 어떤 속성이 필요할까?’라고 우리는 자문했다”라고 말했다.

양자 컴퓨터 개발에 있어 안정성과 신뢰성은 핵심이다. “양자 컴퓨터를 개발하려는 작업은 모두 궁극적으로 백만 큐비트에 이르는 경로를 제시할 수 있어야 한다. 그렇지 않으면, 중요한 문제를 해결할 수 있는 규모에 도달하기 전에 벽에 부딪히게 되기 때문이다. 그리고 우리는 마침내 백만 큐비트에 이르는 현실적 경로를 찾아냈다”라고 그는 말했다.

기존의 큐비트는 환경의 변화에 극도로 취약하기 때문에 양자 컴퓨터의 규모를 확장하기가 어려웠다. 그러나 마이크로소프트에 따르면, 새로운 위상적 큐비트는 오류 수정 오버헤드가 10배나 적다. 또 기존의 큐비트는 다이얼을 돌리는 것과 같은 아날로그 제어를 필요로 하는 반면, 위상적 큐비트는 디지털 방식으로 제어될 수 있다.

스위스 폴 쉐러 연구소의 광자과학 부문 책임자이자 취리히 연방 공과대학의 물리학 교수인 가브리엘 에플리는 “이번 성과는 현실적이다. 원칙적으로, 양자 컴퓨팅에 대한 위상학적 접근 방식은 ‘디지털’이다. ‘아날로그’로 간주될 수 있는 기존의 접근 방식보다 더 우수한 확장성을 갖는다”라고 말했다.

위상학적 큐비트를 구축하기까지

마이크로소프트는 19일 네이처(Nature) 잡지에 논문을 게재했는데, 이 논문은 토폴로지 큐비트의 이색적 양자 특성이 어떻게 만들어졌는지, 그리고 연구자들이 어떻게 그것을 측정할 수 있었는지를 설명하고 있다.

핵심 작동 방식은 다음과 같다. 네 개의 제어 가능한 마요라나가 알루미늄 나노와이어에 결합되어 문자 ‘H’ 모양을 이룬다. 그런 다음, 각각의 ‘H’가 마치 욕실의 타일과 같은 양상으로 칩 상에 놓이고 연결된다. 마이크로소프트의 기술 전문가인 크리스트 스보어는 성명서에서 “물질의 새로운 상태를 보여줘야만 한다는 점에서 복잡하지만, 그 이후에는 상당히 간단하다. 타일처럼 깔기만 하면 된다. 훨씬 더 간단한 아키텍처를 통해 훨씬 더 빠른 확장 경로를 확보할 수 있다”라고 설명했다.

칩 자체는 제어 로직과 결합되고, 전체 시스템을 차갑게 유지하는 냉각 장치와도 결합된다. 그런 다음 소프트웨어 스택을 통해 칩을 프로그래밍하고 AI 및 전통적 컴퓨터와 연결되는 구조다.

스보어에 따르면 이를 위한 개별 부품은 이미 존재한다. 그러나 각 요소가 대규모로 함께 작동하도록 하려면 수년간의 엔지니어링 작업이 필요할 전망이다.

기존에도 양자 로직을 소규모로 실험할 수 있는 양자 컴퓨팅 플랫폼은 다수 있었다. 대개 시뮬레이터나 실제 소규모 양자 컴퓨터의 형태다. 마이크로소프트, 아마존, 구글, IBM 등이 클라우드 기반 양자 컴퓨팅 서비스를 제공하고 있다.

마이크로소프트는 이번 마요라나 1이 “애저 데이터센터 내에 쉽게 배치될 수 있다”라고 언급했지만, 이 컴퓨터가 언제 상용화될지, 또는 다른 양자 컴퓨터가 할 수 없는 어떤 일을 할 수 있을지 밝히지 않았다. 19일의 발표는 위상적 큐비트를 구축할 수 있음을 증명하는 데 그쳤다.

초기 마요라나 연구와 앞으로의 전망

마이크로소프트의 나야크는 블로그 포스트에서 “핵심 빌딩 블록이 이제 입증됐다. -토폴로지에 의해 보호되고 측정을 통해 처리되는 MZMs(마요라나 제로 노드)에 인코딩된 양자 정보- 물리학적 돌파구를 실제 구현으로 옮길 준비를 이뤄진 셈이다”라고 기술했다.

즉 마이크로소프트가 세계 최초의 위상적 큐비트를 성공적으로 시연했으며, 앞으로는 이 큐비트를 중심으로 확장 가능한 아키텍처를 구축하는 단계가 뒤따른다는 설명이다. 2큐비트 시스템은 양자얽힘을 시연할 것이며, 이후 8큐비트 배열을 사용하여 두 개의 논리 큐비트에 오류 감지를 구현할 것이라고 그는 밝혔다.

메릴랜드 대학의 양자 물리학 교수인 산카르 다스 사르마는 “현실적이고, 거대한 공학적 성공이다. 그러나 이것이 상업용 양자 컴퓨터로 이어질 것이라고 단정하기는 이르다. 아직 많은 개선이 필요하다”라고 말했다.
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실제로 마이크로소프트의 단일 마요라나 큐비트는 다른 양자 회사들이 보유한 양자 컴퓨터보다 뒤처진 측면을 가진다. 예를 들어, IBM은 156 큐비트 양자 프로세서를 보유하고 있다. 그러나 큐비트의 수는 사소한 척도일 수 있다고 사르마 교수는 평가했다. “큐비트가 얼마나 오류 없이 작동하는가 더 중요하다. 마이크로소프트의 큐비트는 오류에서 자유롭기에 독특한 장점을 가질 수 있다. 물론 확장할 필요가 있지만 성공 가능성이 존재한다. 지켜볼 일이다”라고 그는 말했다.

적어도 이론적으로는 새로운 위상적 큐비트는 더 빠르게 확장할 수 있을 뿐만 아니라 더 안정적으로 확장할 수 있으며, 오늘날의 양자 컴퓨터보다 훨씬 적은 공간을 차지할 것이라고 마이크로소프트는 밝혔다.

사르마는 “확장성이 절대적으로 현실적이다. 아주 작은 반도체 전선으로 이루어져 있기 때문이다. 다른 대부분의 양자 컴퓨팅 플랫폼보다 더 잘 확장된다”라고 말했다.

실제로 미국 국방부 산하 국방고등연구계획국(DARPA)은 2033년까지 실용 규모의 양자 연산을 달성하고자 하는 양자 컴퓨팅 평가 프로그램의 최종 단계에 진출할 두 회사 중 하나로 마이크로소프트를 선정했던 바 있다.

마이크로소프트가 양자 컴퓨팅 개발에 오랜 공을 기울여왔다. 2018년, 마이크로소프트의 연구원들은 마요라나에 관한 논문을 발표했지만, 해당 논문은 나중에 철회됐다. 일부 연구자들은 마요라나 준입자가 큐비트로 활용될 수 있을지 의심하기도 했다. 그러나 마이크로소프트는 연구를 계속했고, 2022년 마침내 1937년에 처음으로 이론화된 마요라나 제로 노드의 존재를 입증한 바 있다.

마요라나 제로 노드는 그 자체로 반입자인 준입자다. 좀 구체적으로 이들은 일종의 애니온(anyon)이다. 애니온이란 2차원에 존재하며, 꼬아놓을 때 양자 연산에 근접할 수 있는 준입자를 말한다.

이 모든 용어와 개념은 첨단 물리학의 영역에 속한다. 이해하기 매우 어렵고, 계산하기는 더 어려우며, 작동하는 장치로 바꾸는 것은 더욱 어렵다.

마이크로소프트의 스보어는 “아이러니하게도, 이것이 바로 양자 컴퓨터가 필요한 이유이기도 하다. 왜냐하면 이러한 물질을 이해하기가 엄청나게 어렵기 때문이다. 확장된 양자 컴퓨터를 사용하면, 더 나은 특성을 가진 물질을 예측할 수 있게 된다. 이를 통해 차세대 양자 컴퓨터를 구축할 수 있을 것”이라고 말했다.
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