[양자 컴퓨터 2편] 미래를 여는 혁신 기술: 양자컴퓨터 춘추전국의 시대

Summary

 

• 양자 컴퓨터 기술은 현재 10가지 이상의 다양한 구현 방식이 경쟁하고 있는 백가쟁명의 시대를 맞이하고 있다.
• 중성 원자 방식은 자연 원자를 사용해 균일성, 확장성, 긴 결맞음 시간 등의 장점을 가지며, Atom Computing이 1,180 큐비트 양자 컴퓨터를 개발하는 등 주목할 만한 성과를 보이고 있다.
• 광자 방식은 빠른 정보 전달과 상온 작동이 가능하다는 장점이 있으나, 광자 간 직접 상호작용이 어렵다는 단점이 있다.
• 실리콘 기반 방식은 기존 반도체 산업 인프라를 활용할 수 있어 확장성과 집적도가 높다는 장점이 있으며, Intel, HITACHI 등 주요 기업들이 개발에 참여하고 있다.
• NV 다이아몬드 방식은 상온 작동과 긴 결맞음 시간이 장점이나 확장성과 제조 균일성이 과제로 남아있다.
• 위상 큐비트는 이론적으로 매우 안정적이고 오류에 강한 장점이 있으나, 아직 실험적 구현이 어려운 상태이다.

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[양자 컴퓨터 2편] 미래를 여는 혁신 기술_ 양자컴퓨터 춘추전국의 시대.pdf

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 지난 1편에서는 양자 컴퓨터의 기본 원리와 초전도, 이온 트랩 두 가지 주요 기술, 그리고 이 분야를 선도하는 구글, IBM, IonQ에 대해 알아보았습니다. 2편에서는 초전도와 이온 트랩 외에도 다양한 양자 컴퓨터 기술들을 살펴보며, 백가쟁명(百家爭鳴) 의 시대를 맞이한 양자 컴퓨터 기술의 현주소를 조명해 보고자 합니다.

 

1. 중성 원자 (Neutral Atoms): 자연의 선물, 큐비트계의 팔방미인

• 원리: 레이저를 사용하여 중성 원자(전기적으로 중성인 원자) 를 포획하고, 원자의 에너지 준위를 큐비트로 사용합니다. 마치, 정교한 레이저 핀셋으로 원자를 하나하나 집어서 원하는 위치에 배열하는 것과 같습니다.
• 장점
  • 자연의 선물, 높은 균일성: 인위적으로 만든 큐비트가 아닌, 자연에 존재하는 원자를 그대로 사용하기 때문에 큐비트의 특성이 매우 균일합니다. 이는 마치 잘 숙련된 장인이 만든 부품과 같습니다.
  • 뛰어난 확장성: 광학 격자나 광 핀셋 기술을 이용해 수백~수천 큐비트 어레이를 비교적 쉽게 구현할 수 있습니다.
  • 긴 결맞음 시간: 외부 환경과의 상호작용이 적어, 큐비트의 양자 상태가 오랫동안 유지됩니다. (수 초~수십 초)
  • 높은 연결성: 모든 큐비트를 서로 연결할 수 있어, 복잡한 양자 알고리즘 구현에 유리합니다.
  • 상온 작동 가능성: 최근 연구에 따르면, 냉각 기술의 발전으로 상온에서도 작동 가능한 중성 원자 큐비트 개발 가능성이 높아지고 있습니다.
• 단점
  • 느린 게이트 속도: 큐비트의 상태를 바꾸는 속도가 다른 방식에 비해 상대적으로 느립니다. (마이크로초~밀리초 수준)
  • 정교한 레이저 제어 기술: 수많은 원자를 정밀하게 제어해야 하기 때문에, 고도의 레이저 제어 기술이 필요합니다.
• 주요 기업
  • Atom Computing: 1,180 큐비트 양자 컴퓨터 'Phoenix'를 개발하며 중성 원자 방식의 선두 주자로 떠오르고 있습니다. 중성 원자를 기반으로 고성능 양자컴퓨터를 개발해 클라우드 서비스로 제공하고 있습니다. 2023년 10월, 1,225-사이트 원자 배열에 1,180개의 중성 원자 큐비트로 구성된 양자 컴퓨팅 플랫폼을 개발했다고 발표했습니다. 이는 범용 게이트 기반 시스템에서 1,000 큐비트 임계값을 넘은 최초의 사례이며, 오류 수정(결함 허용) 양자 컴퓨터를 향한 중요한 이정표로 평가받고 있습니다. CEO Rob Hays는 "한 세대 만에 100개에서 1,000개 이상의 큐비트로의 10배 도약은 원자 배열 시스템이 다른 큐비트 방식보다 빠르게 우위를 점하고 있음을 보여줍니다"라고 말하며, 중성 원자 방식의 빠른 확장성에 대한 자신감을 드러냈습니다. Atom Computing은 이러한 기술력을 바탕으로 2024년에 양자 컴퓨팅 시스템을 상용화할 계획입니다.
  • QuEra: 256 큐비트 양자 컴퓨터 'Aquila'를 Amazon Braket을 통해 제공하며, 큐비트 배열을 동적으로 재구성하는 FPQA™ 기술을 보유하고 있습니다. 중성 원자 기반 양자 컴퓨터 개발에 주력하고 있으며, 특히 'Aquila'라는 양자 프로세서를 통해 256개의 중성 원자 큐비트를 제어하는 데 성공했습니다. 이 회사는 아날로그 하모닉 모드, 디지털 게이트 기반 모드, 혼합 모드 등 세 가지 작동 모드를 제공하는 양자 컴퓨터를 개발하여, 다양한 양자 알고리즘을 실행할 수 있도록 지원합니다. 최근에는 Harvard–MIT Center for Ultracold Atoms와 협력하여 최대 48개의 논리 큐비트를 사용한 오류 수정 실험에 성공하였으며, 이는 양자 오류 수정 분야에서 중요한 진전으로 평가받고 있습니다.
  • PASQAL: 200 큐비트 프로세서를 개발했으며, 2D 및 3D 큐비트 배열 구현에 강점을 가지고 있습니다. 중성 원자 기반 양자 컴퓨터 개발에 주력하고 있습니다. 이 회사는 중성 원자 배열을 2차원 및 3차원으로 구성하여 큐비트 간의 상호작용을 정밀하게 제어하는 기술을 보유하고 있습니다. PASQAL은 양자 시뮬레이션 및 최적화 문제 해결에 특화된 양자 컴퓨터를 개발하고 있으며, 최근에는 프랑스 최대 규모의 고성능 컴퓨팅 센터인 GENCI에 양자 컴퓨터를 공급하는 계약을 체결했습니다.
  • Infleqtion: 양자 센서, 소프트웨어, 컴퓨팅 플랫폼을 아우르는 종합 솔루션을 제공하며, Rydberg 원자 제어 기술에 강점을 보입니다. 중성 원자 및 Rydberg 원자 기술을 기반으로 양자 컴퓨팅, 센싱, 이미징 등 다양한 분야에 활용될 수 있는 양자 기술을 개발하고 있습니다. 특히, 이 회사는 중성 원자의 Rydberg 상태를 이용하여 큐비트 간의 상호작용을 제어하는 기술을 보유하고 있으며, 이를 통해 양자 게이트의 정확도를 높이고 있습니다. Infleqtion은 최근 미국, 영국, 호주에 지사를 설립하며 글로벌 시장 진출을 가속화하고 있습니다.
  • Aquark Technologies: 휴대용 양자 장치 개발에 초점을 맞추고 있으며, 자기장 없이 원자를 포획하는 기술을 보유하고 있습니다. 소형화 및 저전력 양자 센서 개발에 주력하고 있습니다. 이 회사는 'Supermolasses'라는 새로운 레이저 냉각 기술을 개발하여, 외부 자기장 없이도 중성 원자를 포획하고 냉각할 수 있는 기술을 보유하고 있습니다. Aquark Technologies는 이러한 기술을 바탕으로 휴대용 양자 센서 및 양자 시계를 개발하고 있으며, 최근에는 영국 우주국과 협력하여 우주 탐사에 활용될 수 있는 양자 기술 개발을 추진하고 있습니다.
  • planqc: 원자 시계 기술을 기반으로 높은 확장성을 목표로 하는 독일 기업입니다. 중성 원자 기반 양자 컴퓨터 개발에 주력하고 있습니다. 특히, 이 회사는 개별 포획된 중성 원자를 큐비트로 활용하고, 원자 시계에서 사용되는 것과 동일한 레이저 기술을 기반으로 한 양자 게이트를 사용하여 높은 정밀도와 확장성을 갖춘 양자 컴퓨터를 개발하고 있습니다. planqc는 최근 BMW, Mercedes-Benz와 협력하여 양자 알고리즘을 활용한 재료 과학 연구를 진행하고 있습니다.

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2. 광자 (Photonic): 빛의 속도로 질주하는 큐비트

• 원리: 빛의 가장 작은 단위인 광자(photon) 의 편광, 경로, 시간 등의 자유도를 큐비트로 사용합니다.
• 장점
  • 빛의 속도, 빠른 정보 전달: 광자는 빛의 속도로 이동하기 때문에, 큐비트 간 정보 전달 속도가 매우 빠릅니다.
  • 상온 작동: 극저온 환경이 필요하지 않아, 시스템 구축 및 운영 비용을 절감할 수 있습니다.
  • 낮은 결맞음 손실: 광섬유 등을 통해 장거리 전송 시에도 결맞음 손실이 적습니다.
  • 기존 반도체 기술과의 호환성: 기존의 반도체 제조 공정을 활용하여 칩 형태로 제작 가능합니다.
• 단점
  • 큐비트 간 상호작용: 광자는 서로 직접 상호작용하지 않기 때문에, 큐비트 간 얽힘을 생성하기가 어렵습니다.
  • 비선형 광학: 얽힘 생성을 위해 빛의 비선형적 특성을 활용해야 하는데, 이를 위해서는 고출력 레이저나 특수한 매질이 필요합니다.
  • 확률적 게이트: 선형 광학 소자만으로는 100%의 성공 확률을 가지는 게이트 구현이 어렵습니다.
  • 집적화: 고집적 광자 회로 제작, 단일 광자 생성 및 검출 등 여전히 기술적 장벽이 존재합니다.
• 주요 기업
  • PsiQuantum: 결함 허용 양자 컴퓨터 개발을 목표로 하며, 실리콘 광자 칩 기술을 활용하여 큐비트의 확장성과 안정성을 높이고 있습니다. 실리콘 포토닉스 기반의 양자 컴퓨터 개발에 주력하고 있습니다. 이 회사는 실리콘 칩 위에 광자 큐비트를 집적하여, 확장성이 뛰어나고 오류에 강한 양자 컴퓨터를 개발하고 있습니다. PsiQuantum은 최근 GlobalFoundries와 협력하여 대규모 양자 컴퓨터 제조를 위한 파트너십을 체결했습니다.

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3. 공진기 양자전기역학 (Cavity QED): 빛과 물질의 앙상블

• 원리: 공진기(cavity) 내부에 포획된 원자(또는 인공 원자)와 광자의 강한 상호작용을 이용합니다. 공진기는 특정 주파수의 빛을 가두는 역할을 하며, 이 빛과 원자가 서로 에너지를 주고받으며 양자 상태를 변화시킵니다.
• 장점
  • 강력한 큐비트-광자 결합: 공진기를 통해 큐비트와 광자 간의 상호작용을 증폭시킬 수 있습니다.
  • 원격 큐비트 간 결합: 광자를 매개로 원거리에 있는 큐비트 간 얽힘을 생성할 수 있습니다.
• 단점
  • 제한된 확장성: 고품질 공진기 제작 및 큐비트와의 정밀한 결합 기술이 필요하며, 이는 대규모 시스템 구축에 어려움으로 작용합니다.
  • 복잡한 시스템: 극저온 환경, 고진공 환경, 정밀한 레이저 제어 시스템 등 복잡한 시스템 구성이 필요합니다.
• 주요 기업
  • NanoQT: 나노 광섬유 공진기 기술을 기반으로 양자 컴퓨팅 하드웨어를 개발하고 있습니다. 나노 광섬유 캐비티 기반의 양자 컴퓨터 개발에 주력하고 있습니다. 이 회사는 중성 원자와 광자 간의 강한 상호작용을 이용하여 큐비트를 제어하는 기술을 보유하고 있습니다. NanoQT는 최근 EU로부터 850만 유로의 연구 자금을 지원받아, 양자 컴퓨터의 핵심 요소인 단일 광자 소스 개발을 추진하고 있습니다.

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4. 탄소 나노튜브 (Carbon Nanotubes): 미래 소재, 큐비트의 신대륙

• 원리: 탄소 원자가 육각형 벌집 구조로 연결된 튜브 형태의 탄소 나노튜브의 전기적, 기계적 특성을 이용합니다.
• 장점
  • 상대적 고온 작동: 1 켈빈 이상의 온도에서도 큐비트 결맞음 유지가 가능하여, 냉각 시스템의 부담을 줄일 수 있습니다.
  • CMOS 공정과의 호환성: 기존 반도체 제조 공정을 활용하여 대량 생산이 가능할 것으로 기대됩니다.
• 단점
  • 제조 균일성: 균일한 특성을 가지는 탄소 나노튜브를 대량으로 제조하는 기술이 아직 부족합니다.
  • 결맞음 시간: 다른 큐비트들에 비해 상대적으로 결맞음 시간이 짧습니다.
• 주요 기업
  • C12: 탄소 나노튜브 기반 양자 컴퓨터 개발에 주력하고 있습니다. 탄소 나노튜브를 이용한 스핀 큐비트 개발에 주력하고 있습니다. 이 회사는 탄소 나노튜브의 우수한 전기적, 기계적 특성을 활용하여, 고성능 양자 컴퓨터를 개발하고 있습니다. C12는 최근 1,800만 유로의 시리즈 A 투자를 유치하여, 양자 컴퓨터의 상용화를 가속화하고 있습니다.

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5. 실리콘 기반 (Silicon-based): 반도체 기술의 노하우를 양자 컴퓨터에 접목하다

• 원리: 실리콘 내부에 도핑된 불순물 원자 또는 양자점(Quantum Dot)의 스핀을 큐비트로 사용합니다.
• 장점
  • 높은 확장성: 기존 반도체 산업의 인프라와 CMOS 공정 기술을 활용하여 대규모 큐비트 집적이 가능합니다.
  • 집적도: 고집적 큐비트 어레이를 구현할 수 있습니다.
  • 긴 스핀 결맞음 시간: 수십 밀리초~수 초에 달하는 긴 스핀 결맞음 시간을 가집니다.
• 단점
  • 극저온 환경: 100 mK 이하의 극저온 환경이 필요합니다.
  • 스핀 제어: 큐비트 스핀 상태의 정밀한 제어 및 측정 기술이 필요합니다.
• 주요 기업
  • diracq: CMOS 기반 실리콘 큐비트 기술을 개발하고 있습니다.
  • equal1: 실리콘 기반 큐비트와 CMOS 제어 회로를 단일 칩에 집적하는 기술을 개발하고 있습니다.
  • Intel: 반도체 분야의 강점을 바탕으로 실리콘 스핀 큐비트 연구를 진행하고 있습니다.
  • photonic: 실리콘 광자 칩 기술을 활용하여 양자 컴퓨터 개발에 나서고 있습니다.
  • Quantum Motion: 실리콘 기반 큐비트의 확장성과 제어 기술에 초점을 맞추고 있습니다.
  • SemiQon: 실리콘 기반 큐비트의 소형화 및 저전력화에 집중하고 있습니다.
  • Silicon Quantum Computing: 원자 수준의 정밀도로 실리콘 큐비트를 제조하는 기술을 개발하고 있습니다.
  • HITACHI: 실리콘 기반 양자컴퓨터의 가장 큰 특징은 기존 전자기기와 호환성이 우수하다는 것입니다. 히타치 케미컬(Hitachi Chemical)과 협력하여, 양자 컴퓨터와 기존 컴퓨터를 결합하는 알고리즘 개발을 진행하고 있습니다.

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6. NV 다이아몬드 (Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond): 상온 큐비트의 강자

• 원리: 다이아몬드 결정 격자 내부에 질소(N) 원자와 그 옆에 빈자리(Vacancy, V)가 결합하여 생기는 결함, 즉 NV 센터의 전자 스핀 또는 핵 스핀을 큐비트로 사용합니다.
• 장점
  • 상온 작동: 실온에서도 큐비트의 결맞음을 유지할 수 있어, 냉각 시스템이 필요하지 않습니다. 이는 양자 컴퓨터의 소형화 및 휴대 가능성으로 이어질 수 있습니다.
  • 긴 결맞음 시간: 밀리초~수 초 수준의 긴 스핀 결맞음 시간을 가집니다. 이는 복잡한 양자 알고리즘을 실행하는 데 충분한 시간입니다.
  • 광학적 제어: 레이저를 이용하여 큐비트의 상태를 제어하고 측정할 수 있습니다. 이는 큐비트 조작 및 측정의 정밀도를 높일 수 있습니다.
• 단점
  • 제한된 확장성: 고밀도 NV 센터를 집적하고, 큐비트 간 상호작용을 제어하는 기술이 아직 부족합니다. 현재 기술로는 대규모 양자 컴퓨터를 구현하기 어렵습니다.
  • 제조 균일성: NV 센터를 균일하게 생성하고 제어하는 기술 개발이 필요합니다. 모든 NV 센터가 동일한 특성을 갖도록 제조하는 것이 중요합니다.
• 주요 기업
  • Quantum Diamond Technologies: NV 다이아몬드 기반 양자 센서 개발에 주력하고 있습니다. 다이아몬드 기반 양자 센서 개발에 주력하고 있으며, 특히 생체 내 분자 이미징, 자기장 측정 등 다양한 분야에 활용될 수 있는 고감도 센서 개발에 집중하고 있습니다.
  • SaxonQ: 상온에서 작동하는 NV 다이아몬드 기반 양자 컴퓨터 개발을 목표로 하고 있습니다. NV 센터 기반 양자 컴퓨터 개발에 주력하고 있습니다. 특히, 이 회사는 상온에서 작동하는 양자 컴퓨터를 개발하고 있으며, 이를 위해 NV 센터의 결맞음 시간을 연장하고 큐비트 간의 상호작용을 제어하는 기술을 연구하고 있습니다.
  • Qnami: NV 다이아몬드 기반 양자 현미경을 개발하여, 재료 과학, 생명 과학 분야에 활용하고 있습니다. 다이아몬드 기반 양자 센서를 활용한 고분해능 이미징 기술 개발에 주력하고 있습니다. 특히, 이 회사는 NV 센터를 이용하여 나노미터 수준의 공간 분해능으로 자기장을 측정할 수 있는 양자 현미경을 개발하여, 재료 과학 및 생명 과학 분야에 새로운 연구 도구를 제공하고 있습니다.

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7. 위상 큐비트 (Topological Qubits): 이론 최강, 현실은?

• 원리: 위상학적으로 보호되는 비-아벨리안 애니온(non-Abelian anyon) 입자를 이용합니다. 이 입자들은 땋기 연산(braiding operation)을 통해 양자 정보를 처리합니다.
• 장점
  • 높은 안정성: 위상학적 특성으로 인해, 큐비트가 국소적인 섭동에 의한 오류에 매우 강합니다. 즉, 외부 노이즈에 영향을 덜 받습니다.
  • 내결함성: 오류 수정 없이도 안정적인 양자 연산이 가능할 것으로 기대됩니다. 이는 양자 컴퓨터의 신뢰성을 획기적으로 높일 수 있습니다.
• 단점
  • 실험적 구현: 아직까지 실험적으로 구현된 사례가 없으며, 위상 큐비트를 생성하고 제어하는 기술 개발이 매우 어렵습니다. 이론적으로는 매우 뛰어나지만, 현실적인 구현이 큰 과제입니다.
  • 제한된 연구: 이론적인 연구에 비해 실험적인 연구가 부족합니다.
• 주요 기업
  • Microsoft: 위상 큐비트 기반 양자 컴퓨터 개발에 가장 적극적으로 투자하고 있는 기업입니다. 위상 양자 컴퓨팅 분야의 선두 주자로, 마요라나 페르미온(Majorana fermion)을 이용한 위상 큐비트 구현에 주력하고 있습니다. 이 회사는 위상 큐비트가 기존 큐비트에 비해 오류율이 현저히 낮을 것으로 기대하고 있으며, 이를 통해 내결함성을 갖춘 범용 양자 컴퓨터를 개발하고자 합니다.

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8. 헬륨 상의 전자 (Electrons on Helium): 깨끗한 큐비트, 극저온의 장벽

• 원리: 액체 헬륨 표면 위에 포획된 전자의 스핀 또는 운동 양자 상태를 큐비트로 사용합니다.
• 장점
  • 높은 큐비트 균일성: 모든 전자의 특성이 동일하기 때문에, 큐비트의 특성이 매우 균일합니다. 이는 큐비트 제작의 일관성을 보장합니다.
  • 긴 결맞음 시간: 수 마이크로초~수 밀리초 수준의 긴 결맞음 시간을 가집니다. 이는 복잡한 양자 알고리즘 실행에 유리합니다.
  • CMOS 호환성: CMOS 전자 회로와 집적하여 제어할 수 있습니다. 이는 기존 반도체 기술과의 연계 가능성을 열어줍니다.
• 단점
  • 극저온 환경: 1 K 이하의 극저온 환경이 필요합니다. 이는 시스템 구축 및 운영 비용을 증가시키는 요인이 됩니다.
  • 기술적 복잡성: 액체 헬륨 표면 위에 전자를 안정적으로 포획하고 제어하는 기술이 매우 어렵습니다.
• 주요 기업
  • EeroQ: 헬륨 상의 전자 기술을 기반으로 양자 컴퓨터를 개발하고 있습니다. 헬륨 표면 위에 전자를 띄워 큐비트로 활용하는 기술을 개발하고 있습니다. 이 회사는 헬륨 상의 전자 큐비트가 높은 균일성과 긴 결맞음 시간을 가질 것으로 기대하며, 이를 통해 확장성이 뛰어난 양자 컴퓨터를 개발하고자 합니다.

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결론: 다양한 기술, 무한한 가능성

 지금까지 살펴본 것처럼, 양자 컴퓨터는 초전도, 이온 트랩 외에도 중성 원자, 광자, 공진기 양자전기역학, 탄소 나노튜브, 실리콘, NV 다이아몬드, 위상 큐비트, 헬륨 상의 전자 등 다양한 방식으로 구현될 수 있습니다. 각 방식은 고유의 장단점을 가지고 있으며, 어떤 방식이 최종 승자가 될지는 아직 알 수 없습니다. 마치 춘추전국시대처럼, 수많은 기업들이 각축전을 벌이며, 더 우수한 큐비트를 개발하고, 양자 컴퓨터의 성능을 향상시키기 위해 치열하게 경쟁하고 있습니다. 이러한 경쟁은 양자 컴퓨터 기술 발전을 가속화하고, 더 빠르고, 더 안정적이며, 더 강력한 양자 컴퓨터의 등장을 앞당길 것입니다.

 

특히, Atom Computing이 중성 원자 기반으로 1,180 큐비트 양자 컴퓨터를 구현하며, 1,000 큐비트의 벽을 돌파한 것은 주목할 만한 성과입니다. 이는 중성 원자 방식의 잠재력을 보여주는 사례이며, 앞으로 양자 컴퓨터 기술 경쟁이 더욱 치열해질 것임을 예고합니다. 또한, QuEra, PASQAL과 같은 기업들이 중성 원자 방식에서 고무적인 성과를 보여주고 있고, Intel, Silicon Quantum Computing, HITACHI 등은 실리콘 큐비트 분야에서 장기적인 성장 가능성을 보여주고 있어, 이 기업들에 대한 꾸준한 모니터링이 필요합니다.