마이크로소프트가 새로운 물질을 사용해 “근본적으로 다른 유형의 큐비트”를 생성하는 새로운 유형의 양자 프로세서를 발표했다.

마요라나 1(Majorana 1)은 마요라나 준입자(Majorana quasiparticle)의 이름을 따서 명명된 것으로, 손바닥에 들어갈 수 있는 크기의 단일 칩에 100만 큐비트까지 확장할 수 있도록 설계됐다. 목표는 실용적이고 신뢰할 수 있는 대규모 양자 컴퓨터의 몇 년 안에 구현하는 것이다.

이 새로운 칩은 새로운 상태의 물질을 사용하는데, 고체, 액체, 기체가 아니라 토폴로지 상태에 있다. 이를 위해 마이크로소프트는 인듐 비소와 알루미늄으로 만든 새로운 물질을 개발해야 했고, 원자 단위로 설계하고 제작해야 했다.

마요라나 기반의 토폴로지 큐비트는 마이크로소프트가 20년 동안 추구해 온 접근 방식으로, 기존 큐비트보다 더 안정적일 것으로 기대된다. 밧줄에 매듭이 있어 누군가 밧줄을 잡아당겨도 제자리에 머무르는 것과 비슷한 개념이다. 매듭 자체의 토폴로지 속성이 매듭을 제자리에 유지하는 것이다.

마이크로소프트의 기술 펠로우 체탄 나약은 발표문을 통해 “우리는 한 걸음 물러서서 ‘좋아, 양자 시대를 위한 트랜지스터를 발명하자. 어떤 특성을 가져야 할까?’라고 물었다”라고 말했다.

양자 컴퓨팅을 작동시키는 데 있어 안정성과 신뢰성은 핵심이다. 냐약은 “양자 공간에서 무엇을 하든 100만 큐비트에 이르는 경로가 있어야 한다. 그렇지 않으면, 정말 중요한 문제를 해결할 수 있는 규모에 도달하기 전에 벽에 부딪히게 될 것”이라며, “우리는 실제로 백만 큐비트에 이르는 경로를 찾아냈다”라고 강조했다.

기존의 큐비트는 환경의 변화에 극도로 취약하기 때문에 양자 컴퓨터의 규모를 확장하기가 어렵다. 그러나 마이크로소프트에 따르면, 새로운 토폴로지 큐비트는 오류 수정 오버헤드가 10배나 적다. 기존의 큐비트는 다이얼을 돌리는 것과 같은 아날로그 제어가 필요한 데 비해, 토폴로지 큐비트는 디지털 방식으로 제어할 수 있다.

스위스 폴 쉐러 연구소의 광자과학 부문 책임자이자 취리히 연방 공과대학(ETH Zurich)의 물리학 교수인 가브리엘 에플리는 “그 결과물은 사실이다”라며, “원칙적으로, 양자 컴퓨팅에 대한 위상학적 접근 방식은 ‘디지털’이며, ‘아날로그’로 간주할 수 있는 기존의 접근 방식보다 확장성이 더 우수해야 한다”라고 설명했다.

위상학적 큐비트가 구축되는 방법

마이크로소프트는 네이처에 논문도 발표했는데, 이 논문은 토폴로지 큐비트의 이질적인 양자 특성이 어떻게 만들어졌는지, 그리고 연구팀이 어떻게 그것을 측정할 수 있었는지를 설명하고 있다.

작동 방식을 보면, 네 개의 제어 가능한 마요라나 준입자가 알루미늄 나노와이어를 사용해 문자 “H” 모양으로 결합되어 있다. 그런 다음, 이 개별적인 H를 연결해 바닥 타일과 같이 칩 위에 놓을 수 있다. 마이크로소프트 기술 펠로우 크라이스타 스보어는 “새로운 물질의 상태를 보여주기 위해 복잡한 과정을 거쳐야 하지만, 그 이후에는 상당히 간단하다. 타일처럼 깔아놓기만 하면 된다. 훨씬 더 간단한 구조를 통해 훨씬 더 빠른 확장 경로를 약속한다”라고 설명했다.

Microsoft

John Brecher for Microsoft

칩 자체는 제어 로직 및 냉장고와 결합되어 전체 시스템을 우주 공간보다 차갑게 유지한다. 그런 다음 소프트웨어 스택을 사용해 칩을 프로그래밍하고 AI 및 기존 컴퓨터와 연결한다. 그리고 이런 각각의 부품은 이미 구현된 상태이다. 그러나 마이크로소프트는 모든 것이 대규모로 함께 작동하도록 하려면 수년간의 엔지니어링 작업이 필요하다고 밝혔다.

기업의 양자 로직에 대한 실험은 이미 진행 중이다. 마이크로소프트, 아마존, 구글, IBM 등이 클라우드 기반 양자 컴퓨팅 서비스를 제공하고 있으며, 기업은 다양한 양자 컴퓨팅 플랫폼을 통해 시뮬레이터와 실제 소규모 양자 컴퓨터를 이용할 수 있다.

마이크로소프트에 따르면, 마요라나 1은 “애저 데이터센터 내에 쉽게 배치할 수 있다.” 그러나 마이크로소프트는 이 컴퓨터가 언제 상용화될지, 또는 다른 양자 컴퓨터가 할 수 없는 어떤 일을 할 수 있을지 밝히지 않았다. 이번 발표는 토폴로지 큐비트를 만들 수 있다는 것을 증명하는 데 그쳤다.

초기 마요라나 연구와 앞으로의 전망

나약은 블로그 포스트를 통해 “핵심 구성 요소가 증명됐으므로, 토폴로지에 의해 보호되고 측정을 통해 처리되는 마요라나 제로 노드(Majorana Zero Node)에 인코딩된 양자 정보로 물리학의 돌파구를 실제 구현으로 옮길 준비가 됐다”라고 강조했다.

또, 세계 최초의 위상 큐비트를 성공적으로 시연했으므로, 마이크로소프트의 다음 단계는 이를 중심으로 확장 가능한 아키텍처를 구축하는 것이라고 밝혔다. 2큐비트 시스템으로 중첩을 시연하고, 그런 다음 8큐비트 배열을 사용해 두 개의 논리 큐비트에 대한 오류 탐지를 구현할 것이다.

메릴랜드 대학의 양자물리학 교수인 산카르 다스 사르마는 “이 획기적인 발전은 현실이며, 엄청난 공학적 성공이다. 그러나 이것이 상용 양자 컴퓨터로 이어질 것이라고 단정하기 전에 훨씬 더 많은 개선이 필요하다”라고 지적했다. 마이크로소프트의 단일 마요라나 큐비트는 다른 업체가 보유한 양자에 훨씬 못 미친다. 예를 들어, IBM은 156큐비트 양자 프로세서를 보유하고 있다.

그러나 큐비트의 수는 사실 사소한 척도일 뿐이다. 사르마는 네트워크월드와의 인터뷰에서 “더 중요한 것은 큐비트가 얼마나 오류 없이 작동하는가이다. 마이크로소프트의 큐비트는 본질적으로 오류가 없기 때문에 몇 가지 독보적인 장점을 가지고 있다. 물론, 확장성이 필요하기 때문에 성공할 가능성이 있다. 두고 봐야 할 것이다”라고 평가했다.

이론적으로, 적어도 새로운 토폴로지 큐비트는 더 빠르게 확장할 수 있을 뿐만 아니라, 더 안정적으로 확장할 수 있고, 오늘날의 주요 대안보다 훨씬 적은 공간을 차지한다. 사르마는 “아주 작은 반도체 와이어로 구성되어 있기 때문에 확장성은 부정할 수 없는 사실이다. 다른 대부분 양자 컴퓨팅 플랫폼보다 뛰어나다”라고 강조했다.

실제로 미국 DARPA는 2033년까지 실용 규모의 양자 연산을 달성하고자 하는 양자 컴퓨팅 평가 프로그램의 최종 단계에 진출할 단 두 회사 중 하나로 마이크로소프트를 선정했다.

마이크로소프트가 험난한 과정을 거쳐왔다. 2018년, 마이크로소프트의 연구팀은 마요라나에 관한 논문을 발표했지만, 그 논문은 나중에 철회됐고, 일부 연구원은 마요라나 준입자가 큐비트로 활용될 수 있을지 의심했다. 그러나 마이크로소프트는 연구를 계속했고, 2022년 마침내 1937년에 처음으로 이론화된 마요라나 제로 노드의 존재를 입증할 수 있었다.

마요라나 제로 노드는 그 자체로 반입자인 준입자이다. 구체적으로 말하자면, 이들은 2차원에 존재하며, 꼬아 놓았을 때 양자 연산에 근접할 수 있는 준입자인 애니온의 일종이다. 이 모든 것은 최첨단 물리학에 속하는 내용이고, 이해하기가 매우 어렵고, 계산하기는 더 어렵고, 작동하는 기기로 만드는 것은 더욱 어렵다.

마이크로소프트의 스보어는 “아이러니하게도, 이것이 바로 양자 컴퓨터가 필요한 이유이기도 하다. 왜냐하면 이런 물질을 이해하는 것이 엄청나게 어렵기 때문이다”라며, “확장된 양자 컴퓨터를 사용하면, 더 나은 특성을 가진 물질을 예측할 수 있어, 규모를 넘어서는 차세대 양자 컴퓨터를 구축할 수 있을 것”이라고 덧붙였다.
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