지금 경주가 한창이다. 결승점은 AI 구축이 아니라 아무리 강력한 슈퍼컴퓨터를 사용해도 해결하기 어려운 큰 문제를 해결할 수 있는 최초의 대규모 양자 컴퓨터를 구현하는 것이다.

양자 컴퓨터를 구축하려면 절대 영도에 가까운 온도에서 작동할 수 있는 기기가 필요하다. 이 온도에서 아원자 입자의 양자 상태를 설정, 관찰, 측정할 수 있고, 그 측정값을 복잡한 아날로그 컴퓨터의 일부로 사용할 수 있다. 더 중요한 것은, 이런 측정값에 오류가 없고, 측정 방법이나 온도 및 전하 변동에 의해 확률에 영향을 받지 않도록 하는 방법이다. 그런 다음, 문제를 모델링하는 데 사용되는 복잡한 양자 회로를 구축하고 실행하는 도구가 필요하다. 이 회로는 코드에서 물리학으로, 물리학에서 코드로, 우리의 실온 세계에서 우주 공간보다 차가운 곳으로 돌아가는 과정을 거친다.

로켓 과학자들이 쉬운 일을 하고 있다고 생각하게 만들기 충분하다.

마이크로소프트 애저와 양자 컴퓨팅

마이크로소프트는 오랫동안 양자 컴퓨터를 애저의 일부로 구축하는 데 전념해 왔다. 마이크로소프트는 자사의 스테이션 Q(Station Q) 이니셔티브의 일환으로 장기 연구 프로젝트를 설정해 기존 접근 방식보다 훨씬 더 안정적일 것으로 보장하는 토폴로지 큐비트를 기반으로 새로운 유형의 양자 컴퓨터를 설계 및 구축해 왔다. 애저 퀀텀(Azure Quantum)팀은 이런 기기를 프로그래밍하기 위해 설계된 도구 및 언어 세트를 개발하고, 코드를 양자 회로로 컴파일하고, 누구나 양자 코드 작성을 실험해 볼 수 있는 시뮬레이터를 제공하고 있다.

Microsoft

마이크로소프트는 자체 연구 외에도 양자 컴퓨팅 기술에 대한 기초 연구를 후원하고 전 세계 대학과 협력하고 있다. 주요 연구 분야 중 하나는 마요라나 페르미온에 대한 연구로, 마요라나 페르미온은 안정적인 토폴로지 큐비트로 변형하는 데 매우 적합한 이론적 입자이다.

많은 과학 연구와 마찬가지로, 여정은 간단하거나 단순하지 않았다. 마요라나 입자를 만들고 감지하는 데 필요한 장비는 새롭고 복잡하다. 아무도 이 작업을 해 본 적이 없기 때문이다. 어려운 과정이라고 설명하는 것이 가장 적절할 것이다. 돌파구가 될 수도 있는 것이 막다른 길로 변하는 경우도 있기 때문이다.

양자 처리 장치 마요라나 1

동료 심사 논문을 비롯해 1세대 양자 프로세서인 마요라나 1(Majorana 1)의 설계 등 훨씬 더 긍정적인 소식이 많다. 마이크로소프트가 토폴로지 코어라고 부르는 이 프로세서의 첫 번째 버전은 100만 큐비트까지 확장할 수 있도록 설계됐으며, 8개의 큐비트를 가지고 있어 양자 처리의 많은 요구 사항을 입증하는 데 도움이 될 것이다.

마이크로소프트는 네이처에 논문을 게재해 최초의 위상적 초전도 큐비트를 어떻게 구성했는지를 자세히 설명했다. 더 중요한 것은, 이 큐비트가 측정 가능한 양자 상태를 가진 한 쌍의 갇힌(Trapped) 마요라나 입자로 구성되어 있다는 것이다. 상태를 측정하는 과정은 복잡하다. 마요라나 큐비트의 위상적 구조는 안정성을 보장하는 대신, 상태를 읽기 어렵게 만든다. 마요라나 1을 개발하는 과정의 일부는 입자에 대한 매우 정확한 정보를 얻기 위한 새로운 마이크로파 기반 기술을 개발하는 것이었다.

이 새로운 기술의 장점 중 하나는 양자 프로세서에서 큐비트 주변 회로의 복잡성을 줄여준다는 것이다. 마요라나 큐비트의 안정성을 활용해 디지털 제어 신호를 보내는 데도 동일한 기술을 사용한다. 다른 큐비트 유형에 사용되는 기술은 미세 조정된 마이크로파 신호를 통해 변경해야 하고, 유도 오류 위험이 훨씬 더 높은 복잡한 아날로그 제어 회로가 필요하다.

Microsoft

마요라나 1의 큐비트 내부

양자 프로세서 설계는 매우 매력적인 동시에 매우 복잡하다. 마이크로소프트가 위상전도체라고 부르는 토폴로지 큐비트를 담을 구조를 구축하는 데에는 원자 수준의 정밀도가 필요하다. 마이크로소프트에 따르면, 인듐 비소 기판의 각 층은 “원자 단위로” 분사된다. 아주 작은 오류만 있어도 큐비트를 만드는 데 필요한 특성을 얻지 못한다.

Microsoft

기본적인 엔지니어링이 마련되어 있는 동안에는 양자 프로세서가 복잡할수록 그 수준의 정확도를 달성하기가 더 어려워진다. 규모를 더 키우려면 양자 구조를 설계하기 위해 확장된 양자 컴퓨터가 필요하다는 사실에는 일종의 아이러니가 있다. 이는 설계, 구축, 건설을 위해 상당한 양의 연산이 필요한 고밀도 트랜지스터 레이아웃을 사용하는 기존 프로세서 설계와 매우 유사하다.

이런 새로운 소재를 구축하기 위한 반복 가능한 기술은 마이크로소프트가 실험적인 구조를 컴퓨팅 하드웨어로 전환할 수 있도록 하는 핵심 요소이다. 인듐 비소 위상전도체 구조와 필수적인 알루미늄 초전도체를 제대로 구현하기 위해서는 많은 시뮬레이션이 필요했다.

위상전도체로 큐비트 구축하기

위상전도체는 큐비트를 수용하는 방식이 표준 초전도체와 다르다. 표준 초전도체와 마찬가지로 위상전도체는 쿠퍼 쌍 전자를 위한 무저항 경로를 제공한다. 하지만 표준 초전도체와는 달리, 위상전도체는 짝을 이루지 않은 전자가 존재할 수 있도록 한다. 이것이 위상전도체가 양자 상태를 설정하는 방법이고, 그 상태가 측정되는 방법이다. 짝을 이루지 않은 전자가 있는 위상전도체는 전하를 띠게 된다(그리고 다른 중첩 상태는 다른 전하를 띠게 된다). 동시에, 해당 전자가 위상전도체의 모든 곳에 동시에 존재하기 때문에 전자를 가둘 방법이 없다.

단일 큐비트 구성 요소는 테트론(Tetron)이라고 부른다. 테트론은 양쪽 끝에 각각 4개의 마요라나 제로 모드(MZM)를 수용하는 두 개의 초전도성 토폴로지 와이어를 가지고 있다. 와이어는 더 얇은 초전도체로 연결되어 있다. 와이어와 함께 이 4개의 MZM은 큐비트의 상태를 제어하고 저장한다. 토폴로지 와이어는 큐비트의 상태에 따라 전하가 다른 한 쌍의 양자점(quantum dot)에 결합되어 있다.

이 전하를 마이크로웨이브 검출기가 측정하는 것이다. 이 과정은 매우 정확하고 오류 가능성도 매우 낮다. 그러나 마이크로소프트가 작동하는 양자 컴퓨터를 구현하기 위해서는 오류 가능성의 극히 낮은 수준도 여전히 충분하지 않으며, 더 나은 오류 수정이 필요하다. 이것이 기기 로드맵이 소수의 큐비트만 제공하는 멀티테트론 기기까지 올라가는 이유이다. 그럼에도 불구하고, 마요라나 1 기반 기기는 비슷한 양자 컴퓨터의 10분의 1에 불과한 오류 수정 하드웨어만 필요로 할 것이다.

마이크로웨이브 기반의 측정은 테트론 기반의 큐비트를 프로그래밍하고 사용하는 기초가 된다. 이 측정 방법을 통해 양자점을 테트론에 연결하고 분리할 수 있기 때문이다. 양자 상태를 변경하기 위해 복잡한 아날로그 제어를 요구하는 대신, 이 새로운 접근 방식을 통해 마이크로소프트는 테트론을 디지털 방식으로 프로그래밍할 수 있고, 양자 기기와 이를 프로그램 및 데이터에 연결하는 디지털 컴퓨터 간의 연결을 단순화할 수 있다. 테트론 구조가 복잡할수록 하나의 와이어에 더 많은 상태를 중첩할 수 있으므로, 위상전도체를 사용해 다양한 유형의 양자 정보 처리를 수행할 수 있다.

멀티테트론에서 수백만 큐비트까지

마이크로소프트는 확장 가능한 양자 컴퓨터를 목표로 하는 로드맵의 첫 번째 구성 요소로 이 양자 프로세서를 사용하고 있다. 단일 기기에서 많은 큐비트를 지원할 수 있는 훨씬 더 복잡한 양자 프로세서로 가는 길에는 논리가 있다. 이론적으로, 마요라나 1을 탄생시킨 실험 물리학에서 엔지니어링 주도 접근법으로 전환해, 먼저 단일 큐비트를 제공한 다음, 2개, 그리고 2큐비트 장치로 작동하는 4×2 테트론 배열을 제공한 다음, 여러 개의 오류 수정 큐비트를 제공하는 테트론 배열을 갖춘 훨씬 더 복잡한 장치로 전환하는 것이다.

이것이 상당한 진전이지만, 아직 완전히 확장 가능한 양자 컴퓨터는 아니다. 아직은 시간이 좀 걸릴 것으로 보인다. 왜냐하면 이 첫 번째 8큐비트 설계를 기반으로 다중 큐비트 기기를 개발해야 하기 때문이다. 그러나 이것은 예상보다 훨씬 덜 복잡한 양자 컴퓨터를 만들 수 있게 해주는 큰 진전이다. 이로써 단순히 큰 숫자의 소인수를 찾는 것보다 훨씬 더 큰 문제를 해결하는 데 도움이 되는 애플리케이션을 설계할 수 있다. 양자 컴퓨터를 사용해 복잡한 단백질 접힘을 시뮬레이션하거나 플라스틱 재활용 또는 대기 중 탄소 포집에 사용되는 일반적인 촉매를 설계할 수 있을 것이다.

양자 프로세서는 시작에 불과하다. 지금 필요한 것은 Q#과 같은 양자 지원 언어에서 이 새로운 하드웨어에서 실행되는 코드로 이동하는 방법이다. 애저 퀀텀의 시뮬레이터는 개발자가 첫 번째 양자 프로그램을 작성하는 데 도움을 주는 한편, 코드를 마요라나 1의 양자 위상전도체에서 실행되는 양자 회로로 빌드하는 필수적인 양자 컴파일러를 기다리고 있다.

아직 갈 길이 멀지만, 여기에는 많은 야망이 담겨 있다. 디지털 시계 크기의 마요라나 1 기기에는 이미 1000큐비트 설계가 적용되어 있다. 그럼에도 불구하고 마이크로소프트는 마요라나 1의 새로운 기술과 아키텍처를 기반으로 수십 년이 아닌 몇 년 안에 본격적인 양자 컴퓨터를 제공할 계획이다.
dl-itworldkorea@foundryco.com