양자 방출체와 적외선 레이저로 차세대 컴퓨터 구축하기

컴퓨터의 역사는 현대 기술의 역사와 얽혀 있습니다. 모든 것은 19세기에 시작되었으며, 1801년에 프랑스의 상인 겸 발명가인 마리 자카드가 천 디자인을 자동으로 짜기 위해 천공된 목재 카드를 이용한 직조기를 발명했습니다.

하지만 그 세기에 자동화된 컴퓨팅에서 가장 중요한 진전은 영국 수학자 찰스 배비지가 수증기로 구동되는 계산 기계를 고안하여 숫자 표를 계산할 수 있게 만든 때였습니다. 20세기의 가장 획기적인 발명은 1936년 영국의 과학자이자 수학자인 앨런 튜링이 보편적인 기계, 나중에 튜링 기계라 불리는 것을 소개한 것이었습니다. 과학자들은 현대 컴퓨터 개념이 근본적으로 앨런 튜링의 아이디어에 기반한다고 주장합니다.

그 이후로는 연속적인 발전이 이어졌습니다. 1939년에 데이비드 팩커드와 빌 헬리엇은 힐렛 팩커드 회사를 설립했으며, 1953년에 그레이스 호퍼는 최초의 컴퓨터 언어인 COBOL을 개발했고, 이어 IBM의 존 백커스와 그의 프로그래머 팀은 새롭게 만든 FORTRAN 프로그래밍 언어를 설명하는 논문을 발표했습니다.

수년간 컴퓨팅 기술을 풍부하게 만든 발명의 흐름은 여러 측면에 초점을 맞추었습니다. 때로는 획기적인 언어나 소프트웨어의 개발이었고, 다른 때는 중요한 하드웨어였습니다. 이러한 발명은 계속해서 일어나며 차세대 컴퓨터를 구축하는 데 기여하고 있으며, 이는 진정한 의미에서 ‘미래지향적’이라고 할 수 있습니다.

다음 섹션에서는 양자 방출체와 적외선 레이저와 관련된 두 가지 발명을 살펴보겠습니다.

주요 돌파구를 향해 나아가기: 확장 가능한 양자 컴퓨터

이 성과는 로렌스 버클리 국립 연구소(버클리 랩)에서 이끄는 연구팀에 의해 이루어졌습니다. 연구원들은 수소를 첨가하여 실리콘을 펨토초 층을 사용해 큐비트를 ‘생성’하고 ‘소멸’시키는 방법에 성공했다고 주장합니다. 연구진은 이 작업을 필요에 따라 정밀하게 수행할 수 있다고 강조했습니다.

하지만 연구의 의미를 완전히 이해하려면 큐비트가 무엇이며 왜 중요한지 알아야 합니다!

수십억 개의 큐비트를 연결해야 할 필요성

Quantum computers could prove pathbreaking in their ability to solve problems a million times faster than some of the most advanced supercomputers currently available. These machines have the potential to usher in revolutionary breakthroughs in areas such as healthcare, pharmaceuticals, and artificial intelligence. But for all these to happen, the industry would have to devise a way to string together billions of qubits or quantum bits, leading to the ultimate development of a highly efficient network of quantum computers.

연구는 이제 프로그래머블 광학 큐비트 또는 ‘스핀-포톤 큐비트’를 사용하여 원격 네트워크 전반에 걸쳐 양자 노드를 연결함으로써 양자 컴퓨터를 강화하는 방법을 제시했습니다.

연구의 중요성과 얻은 결과를 설명하면서, 버클리 랩 가속기 기술 및 응용 물리(ATAP) 부서의 박사후 연구원인 카우샬라 주리아는 다음과 같이 언급했습니다:

“확장 가능한 양자 아키텍처 또는 네트워크를 만들기 위해서는 큐비트가 원하는 위치에서 필요에 따라 신뢰성 있게 형성되어야 하며, 그래야 우리는 물질 내에서 큐비트가 어디에 위치하는지 알 수 있습니다. 그래서 우리의 접근 방식이 중요합니다. 특정 큐비트가 어디에 있는지 알게 되면, 해당 큐비트를 시스템의 다른 구성 요소와 연결하여 양자 네트워크를 만들 수 있기 때문입니다.”

그렇다면 연구는 어떻게 이 목표를 달성했을까요? 실리콘 내에서 프로그래머블 제어를 통해 큐비트를 형성함으로써 가능합니다.

실리콘 ‘컬러 센터’와 ‘스핀 포톤 큐비트’의 이야기

DOE 과학 사무국의 지원을 받아, 연구는 가스 환경을 이용해 실리콘에 “컬러 센터”라는 프로그래머블 결함을 만들었습니다. 이러한 컬러 센터는 “스핀 포톤 큐비트” 또는 특수 통신 큐비트 후보입니다.

양자 또는 큐비트 비트는 양자 정보의 기본 단위입니다. 양자 정보 시스템의 가장 작은 구성 요소로서 1, 0 또는 그 사이의 모든 상태를 인코딩하는데, 이를 중첩(superposition)이라고 합니다. 한편 스핀 포톤 큐비트는 전자 스핀에 인코딩된 정보를 장거리로 전달할 수 있는 광자를 방출합니다.

Now, to form these special qubits that can help support a secure quantum network precisely, the study utilized an ultrafast laser capable of emitting energy pulses in mere femtoseconds—each pulse as brief as a quadrillionth of a second, targeted to an area no larger than a dust particle.

결과적인 컬러 센터의 광학(광발광) 신호를 근적외선 검출기로 조사하여 특성을 분석하는 과정에서, 팀은 양자 방출체인 Ci 센터를 발견했습니다. Ci 센터는 구조가 단순하고 스핀 특성이 유망하며, 실온에서도 안정적이어서 텔레콤 또는 주파수 대역에서 광자를 방출하는 인상적인 스핀 포톤 큐비트 후보가 됩니다. 주리아에 따르면:

“문헌에 따르면 Ci는 실리콘에서 형성될 수 있다는 것을 알고 있었지만, 우리의 접근 방식으로 이 새로운 스핀 포톤 큐비트 후보를 실제로 만들 수 있을 거라 기대하지 못했습니다.” 

흥미롭게도, 실리콘을 수소와 함께 처리할 때 펨토초 레이저 강도를 높이면 수소의 이동성이 증가합니다. 이는 원치 않는 컬러 센터를 무활성화하면서 실리콘 격자를 손상시키지 않게 합니다.

이론적 분석 또한 실험 관찰을 확인했으며, 수소가 존재할 때 Ci 컬러 센터의 밝기가 크게 향상될 수 있음을 보여줍니다. 주리아가 설명하듯, 레이저 펄스는 수소 원자를 내보내는 것뿐만 아니라 다시 가져와서, ‘원하는 광학 큐비트를 정확한 위치에 프로그래머블하게 형성’할 수 있게 합니다.

컬러 센터를 안정적으로 만드는 것은 시작에 불과합니다; 이제 팀은 서로 다른 큐비트가 통신하도록 하여 어떤 것이 가장 성능이 좋은지 확인하고자 합니다.

“실리콘과 같이 대량 생산이 가능한 물질에 프로그래머블한 위치에서 큐비트를 형성할 수 있는 능력은 실용적인 양자 네트워킹 및 컴퓨팅을 향한 흥미로운 단계입니다.”

– ATAP 부서장 카메론 게디스

이 기술은 앞으로 파장 가이드와 같은 양자 장치에 광학 큐비트를 통합하고, 선택된 응용 분야에 최적화된 특성을 가진 새로운 스핀 포톤 큐비트 후보를 찾는 데 활용될 예정입니다.

양자 컴퓨팅을 달성하기 위한 새로운 접근법: 분자 활용

양자 컴퓨팅 분야는 수년간 큰 관심을 얻었으며, 연구자들은 이를 실현하기 위한 새로운 기술을 지속적으로 탐구하고 있습니다. 유기 분자를 조작하는 분야는 양자 컴퓨팅에 적용될 가능성으로 연구되고 있습니다.

TU Graz 팀은 적외선 펄스를 이용해 유능한 분자를 자극하여 작은 자기장을 생성하는 방법을 조사했습니다. 이 기술이 실험에서 성공적으로 발전한다면 양자 컴퓨터 회로에도 활용될 수 있습니다.

이는 적외선을 선택적으로 조작함으로써 자기장의 방향과 세기를 제어할 수 있기 때문입니다. 이렇게 하면 분자를 고정밀 광 스위치로 전환시킬 수 있으며, 이는 TU Graz 실험 물리학 연구소의 안드레아스 하우저에 따르면 양자 컴퓨터 회로를 구축하는 데에도 활용될 수 있습니다.

분자 진동과 스핀 자기 사이의 상호작용은 마이크로파 분광법에서 잘 문서화되어 있지만, 이 연구는 목표 위치에서 자기장을 생성하는 분자 진동을 적극적으로 활성화하는 방법을 제안합니다.

적외선 레이저로 분자를 자극하여 자기장 형성

적외선 빛에 조사되면 분자는 에너지 공급으로 인해 진동을 시작합니다. 물리학자들은 이러한 진동이 실제로 자기장을 생성하는 데 사용될 수 있는지 조사하기 시작했습니다.

계산을 위해 하우저와 그의 팀은 금속 파탈로시아닌을 예시로 사용했습니다. 팀은 이러한 고대칭의 고리형 방향족 평면 염료 분자들이 적외선 펄스에 노출될 때 나노미터 범위(< 1 nm)의 작은 자기장을 생성한다는 것을 발견했습니다. 이를 바탕으로 핵자기공명 분광법을 통해 낮지만 정확히 국소화된 자기장의 세기를 측정할 수 있을 것으로 기대됩니다.

레이저 분광학 초기 연구를 참고함과 동시에, 팀은 슈퍼컴퓨터에서 현대 전자 구조 이론을 사용하여 원형 편광 적외선 빛에 노출될 때 거대 고리 파탈로시아닌 분자가 어떻게 작용하는지를 계산했습니다.

팀은 원형 편광 빛 파동이 두 개의 분자 진동을 서로 직각으로 동시에 자극한다는 것을 발견했습니다. 이를 룸바 기술에 비유하며, 하우저는 다음과 같이 설명했습니다:

“앞뒤와 좌우의 올바른 조합이 작은 폐쇄 루프를 만들고, 각 영향을 받은 원자 핵의 원형 움직임이 실제로 자기장을 생성하지만, 이는 매우 국소적이며 몇 나노미터 범위의 크기를 가집니다.”

하지만 이는 모두 이론에 불과합니다. 팀은 이제 실험적으로 분자 자기장을 제어된 방식으로 생성할 수 있음을 증명하여 실제로 활용할 수 있도록 노력할 것입니다.

실험을 위해서는 목표 프로세스와 최소한으로 상호작용하는 기판을 찾아야 합니다. 향후 응용에서는 파탈로시아닌 분자를 표면에 배치해야 하기 때문입니다. 그러나 이렇게 하면 물리적 조건이 변하고, 이는 빛에 의해 유도된 여기와 자기장 특성에 영향을 미칩니다.

따라서 실제 실험에서 테스트하기 전에 팀은 먼저 침착된 파탈로시아닌, 적외선 빛, 그리고 지지 물질 사이의 상호작용을 계산해야 합니다. 실험이 자기 차폐 상수의 예측된 변화를 확인한다면, 이는 진동에 의해 생성된 자기장을 최초로 측정한 것으로, 분자 내 해상도를 가진 측정이라고 볼 수 있습니다.

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양자 컴퓨팅 분야를 선도하는 기업들

Microsoft (MSFT ), Intel (INTC ), D-Wave와 같은 여러 기업이 양자 컴퓨팅을 발전시키기 위해 노력하고 있습니다. IBM은 오랫동안 양자 컴퓨팅에 집중해 온 대표적인 기업입니다. 최근에는 IBM이 일본의 국립 고도산업과학기술연구소(AIST)와 협력하여 이번 십 년 안에 10,000 큐비트 양자 컴퓨터를 생산하도록 돕고 있습니다. 따라서 이러한 발전 속에서 업계의 다른 중요한 기업들을 자세히 살펴보겠습니다:

#1. Google 

이 기술 대기업은 지난 여러 해 동안 양자 컴퓨터 구축에 많은 노력을 기울여 왔습니다. 2019년에 Google은 양자 컴퓨터가 기존 슈퍼컴퓨터로는 해결할 수 없는 알고리즘을 실행할 수 있음을 최초로 시연했습니다.

작년에는 Google의 Sycamore 양자 프로세서가 70개의 큐비트를 탑재한 것으로 발표되었으며, 이는 이전 버전의 53 큐비트보다 크게 향상된 것입니다. 이는 이전 모델보다 약 2억 4천만 배 빠르고 더 견고합니다. Google의 새로운 양자 컴퓨터는 자석의 행동을 정밀하게 시뮬레이션하며, 자기 현상에 대한 깊은 이해를 돕습니다.

양자 컴퓨팅과 관련하여 Google은 하드웨어와 소프트웨어 구성 요소의 원활한 통합을 포함하는 풀 스택 접근 방식을 사용합니다. 현재 Google은 XPRIZE Quantum Applications라는 3년, 500만 달러 규모의 글로벌 대회를 진행하며 양자 알고리즘 분야를 발전시키고 있습니다.

시가총액 2.2조 달러인 Google 주식은 현재 $177.08에 거래되고 있으며, 연초 대비 26.88% 상승했습니다. EPS(TTM)는 6.52, P/E(TTM)는 27.18, 배당 수익률은 0.45%입니다. 2024년 1분기에는 매출이 805억 달러로 전년 대비 15% 증가했으며, 영업 마진은 32%로 확대되었습니다.

#2. Dell 

이 기술 기업도 양자 컴퓨팅 분야에서 구체적인 조치를 시작했습니다. 최근 Dell은 IonQ와 공동으로 개발한 하이브리드 클래식/양자 플랫폼을 소개했습니다. 또한 Aramco와 협력하여 양자 컴퓨팅, AI, 엣지 컴퓨팅 분야의 발전을 모색한다고 발표했습니다. Aramco와 Dell은 양자 컴퓨팅을 활용해 에너지 최적화, 기상 모델링, 재료 과학, 예측 유지보수 등 복잡한 과제를 해결하고자 합니다.

Dell Technologies (DELL ) Ireland의 매니징 디렉터인 Catherine Doyle에 따르면, 양자 컴퓨팅은 AI 발전에도 도움이 될 것이며, “가까운 미래에 얽혀 들어갈 것”이라고 말했습니다.

시가총액 1,007억 4천만 달러인 Dell 주식은 현재 $144.50에 거래되고 있으며, 연초 대비 85.66% 상승했습니다. EPS(TTM)는 4.36, P/E(TTM)는 32.55, 배당 수익률은 1.25%입니다. 2024년 1분기에는 매출이 222억 달러, 순이익이 6천만 달러를 기록했습니다.

결론

양자 컴퓨팅은 연구자, 조직, 정부 모두에게 점점 더 중요한 분야가 되고 있습니다. 빠른 속도, 향상된 보안, 높은 효율성, 정확한 시뮬레이션 및 개선된 분석 능력 덕분에 양자 컴퓨팅에 대한 관심과 연구, 투자가 증가하고 있으며, 이는 결국 양자 컴퓨팅이 현실이 되고 다양한 분야에 적용되는 모습을 보게 할 것입니다.

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