양자 컴퓨터를 데이지 체인으로 연결하는 것이 가능할까? 연구자들이 답을 제시했다

양자 컴퓨팅 확장

Quantum computers are expected to one day become the core technology for advanced computation within biotechnology, material sciences, finances, cryptography, and other complex systems that silicon-based computers struggle to deal with.

하지만 양자 컴퓨터가 보다 일반화되는 것을 방해하는 두 가지 요인이 있습니다.

첫 번째는 시스템 내에 큐비트(이진 비트에 해당하는 양자 단위)가 많아질수록 오류율이 높아지며, 어느 작은 불안정도 도미노 효과를 일으킨다는 점입니다.

이는 최근 Google (GOOGL ) and its Willow chip이 달성한 진전 덕분에 곧 과거의 문제가 될 수 있으며, 큐비트를 추가할수록 오류율이 감소합니다.

다른 문제는 개별 양자 컴퓨터가 커질 수 있는 크기에 한계가 있을 가능성이 있다는 점이며, 이는 실리콘 칩이 전원 공급, 과열 등 문제에 직면하기 전에 일정 수준 이상으로는 강력해질 수 없는 것과 유사합니다.

이 문제도 옥스퍼드 대학교 연구진의 연구 덕분에 해결될 조짐을 보이고 있습니다. 그들은 실리콘 기반 칩을 사용하는 서버와 유사한 방식으로 분산 양자 컴퓨터 네트워크를 구축했으며, 이는 양자 슈퍼컴퓨터의 길을 열어줄 수 있습니다.

그들은 이 결과를 권위 있는 학술지 Nature에 “Distributed quantum computing across an optical network link”라는 제목으로 발표했습니다¹.

양자 컴퓨터 연결

현재 양자 컴퓨터는 몇 백 개, 혹은 가장 진보된 경우에는 천 개 정도의 큐비트를 포함한 독립된 유닛으로 작동합니다.

문제는 시스템을 크게 확장하는 것이 매우 복잡하다는 점이며, 시스템이 커질수록 환경으로부터의 불안정성과 교란이 양자 효과를 방해할 가능성이 높아진다는 것입니다.

동시에, 실용적인 연산을 위해서는 수백만 개의 큐비트가 필요할 것으로 예상되며, 이는 양자 컴퓨터가 서로 연결되지 못하는 한 산업을 잠재적인 교착 상태에 빠뜨릴 수 있습니다.

그리고 이것은 말처럼 쉽지 않은데, 양자 컴퓨터는 실리콘 칩과 매우 다르기 때문입니다. 전통적인 컴퓨터에서는 0과 1이 전기 신호로서 비교적 쉽게 다른 기기로 전송될 수 있습니다.

양자 컴퓨터의 경우, 큐비트의 양자 상태 자체를 전달해야 합니다. 이러한 양자 상태는 매우 특정한 조건, 보통 절대 영도에 가까운 초저온 환경에서만 안정적으로 유지될 수 있어 어렵습니다.

양자 텔레포테이션 활용

이전 양자 텔레포테이션 실험

2025년 1월, 우리는 광섬유에서 양자 텔레포테이션이 가능하다는 최초의 징후를 보고했습니다. 일반 광섬유 네트워크에서 “일반” 데이터 스트림과 함께 전달될 수 있을 것처럼 보였습니다.

과학 소설 영화에서 나올 법한 환상적인 개념처럼 들릴 수 있지만, 양자 텔레포테이션은 실제로 수십 년간 연구된 현상입니다.

이는 두 개의 서로 다른 입자가 “쌍을 이루어/결합”될 때 발생하며, 이를 양자 얽힘이라고 합니다.

이 경우, 두 입자가 연결되면 그들 사이의 거리에 관계없이 정보를 장거리로 교환합니다 — 물리적으로 전달되지 않고. 경우에 따라서는 정보 교환이 빛의 속도보다 빠르게 일어날 수도 있는데, 이는 이론적으로 불가능한 것으로 여겨집니다.

이는 매우 중요한 첫 단계였으며, 케이블이 양자 컴퓨터 간에 양자 텔레포테이션을 수행할 수 있기 때문에 새로운 기술이 필요하지 않다는 것을 보여주었습니다.

하지만 아직 두 양자 컴퓨터 사이의 직접적인 연결은 아니었습니다.

큐비트 연결

이것이 옥스퍼드 연구진이 달성한 단계입니다. 그들은 광섬유를 사용해 큐비트를 연결하고 광자(빛 입자)를 이용해 얽힘을 만들었습니다.

출처: Nature

실험실 실험에서 모듈들은 약 2 meters 정도 떨어져 있었으며, 각각 전용 네트워크와 회로 큐비트를 포함하고 있었습니다. 그러나 더 긴 거리도 달성할 수 있습니다.

이러한 상호작용을 신중히 조정함으로써, 별도의 양자 컴퓨터에 탑재된 큐비트 간에 논리 양자 게이트(양자 컴퓨팅의 기본 연산)를 수행할 수 있습니다.

이 돌파구는 서로 다른 양자 프로세서를 효과적으로 “연결”하여 단일하고 완전하게 연결된 양자 컴퓨터를 만들 수 있게 합니다.

Dougal Main – Graduate Student at Ion trap quantum computing research group at Oxford

출처: Nature

사용된 양자 컴퓨터 유형은 트랩 이온 모듈이었습니다. 트랩 이온 양자 컴퓨터는 일반적으로 훨씬 적은 수의 큐비트를 포함하지만, 훨씬 높은 신뢰성과 효율성을 제공하며, 동일한 수의 큐비트가 다른 양자 컴퓨팅 방식보다 100~1,000배 더 신뢰할 수 있는 결과를 얻습니다.

출처: Quantinuum

고효율

네트워크에 연결된 큐비트 간의 얽힘은 86%의 충실도를 달성했습니다.

양자 컴퓨터가 일반 컴퓨터를 급격히 능가하는 유용한 벤치마크인 Grover 검색 알고리즘을 수행했을 때, 성공률은 71%였습니다.

Grover 검색 알고리즘은 중첩과 얽힘이라는 양자 현상을 이용해 많은 가능성을 병렬로 탐색함으로써, 대규모 비구조화 데이터셋에서 특정 항목을 일반 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 찾습니다.

이는 특히 어떠한 최적화나 개선도 이루어지기 전 최초의 성과였다는 점을 고려하면 매우 높은 수치입니다.

이 발견의 영향

양자 슈퍼컴퓨터?

이는 양자 컴퓨터를 구축하는 완전히 새로운 방식을 열어주며, 슈퍼컴퓨터가 별개의 하위 시스템으로 구성되어 서로 계산을 교환하는 방식을 모방합니다.

이러한 시스템은 점점 복잡해지는 거대한 중앙 집중식 양자 컴퓨터 대신, 놀라울 정도로 모듈식이 될 수 있습니다.

광자 링크를 사용해 모듈을 상호 연결함으로써 시스템은 귀중한 유연성을 얻으며, 전체 아키텍처를 방해하지 않고도 모듈을 업그레이드하거나 교체할 수 있습니다.

Dougal Main – Graduate Student at Ion trap quantum computing research group at Oxford

출처: Nature

트랩 이온 기술의 반등

지금까지 트랩 이온 기술은 보다 신뢰성이 높고 실용에 가장 가까운 기술이었지만, 주어진 시스템에 더 많은 큐비트를 추가하는 데 어려움이 있었습니다. 이러한 이유로 초전도 큐비트를 사용하는 다른 시스템이 최종적인 양자 컴퓨터 형태가 될 것으로 예상되었습니다.

트랩 이온 기술이 향상된 네트워킹을 통해 이 한계를 극복한다면, 그 예상은 더 이상 성립하지 않을 수 있습니다. 이는 이 분야에 특화된 기업들을 투자자들에게 훨씬 더 매력적으로 만들 것입니다.

트랩 이온 양자 컴퓨팅 기업

IonQ

IonQ는 트랩 이온 기술을 사용하는 양자 컴퓨팅 기업으로, 메릴랜드 대학과 듀크 대학의 선구적인 과학자들에 의해 설립되었습니다. 2021년에 뉴욕증권거래소에 상장되었습니다.

IonQ 양자 컴퓨팅 플랫폼은 99.9%의 충실도 결과를 생성할 수 있습니다. 현재 64개의 바륨 이온 체인을 사용하여 36개의 알고리즘 큐비트(AQ)를 생산합니다. 이 체인 구조는 다른 트랩 이온 설계보다 충실도를 잃지 않으면서 훨씬 빠른 연산을 가능하게 합니다.

출처: IonQ

IonQ acquired Qubitekk in 2025년 1월, 이 인수로 IonQ는 해당 회사의 팀과 118개의 특허를 추가했습니다. Qubitekk는 광자 인터커넥트를 이용한 양자 네트워크, 양자 클러스터 구현, 양자 인터넷 기능 향상을 전문으로 합니다.

양자 네트워크는 고도로 보안된 통신을 촉진하고 궁극적으로 분산 양자 컴퓨팅을 가능하게 해야 합니다. 분야가 빠르게 발전하고 있는 만큼, 이 주제에 대한 전문 지식과 지적 재산권은 IonQ의 미래에 결정적인 역할을 할 수 있습니다.

IonQ는 또한 NKT Photonics(NKT.CO)와 파트너십을 개발하여 향후 데이터 센터에 적합한 양자 컴퓨터를 개발하고 있습니다.

또한 Imec와 협력하여 광자 집적 회로와 칩 규모 이온 트랩 기술을 개발함으로써 회사의 큐비트 수와 시스템 규모 및 비용을 확대하고 있습니다.

자체 SDK(소프트웨어 개발 키트)를 개발하는 대신, 회사는 주요 SDK들을 모두 지원하고 있으며, 새로운 양자 컴퓨팅 애플리케이션 개발을 위해 다수의 선도 기업과 파트너십을 맺고 있습니다.

출처: IonQ

IonQ는 Google, Intel, IBM, Honeywell 등 다른 주요 기업들의 주요 활동에 관심이 없는 투자자들에게 순수 양자 컴퓨팅 주식에 가장 가까운 기업입니다.

따라서 Honeywell의 일부인 경쟁사 Quantinuum과 함께, IonQ는 고충실도와 낮은 큐비트 수의 트랩 이온 시스템에 집중함으로써 상용 양자 컴퓨터 개발에 더 가까워지고 있습니다.

초기의 성공은 다른 양자 컴퓨팅 혁신가들과의 강력한 파트너십 네트워크 구축에 도움이 되었으며, 최근에는 네트워크화된 양자 컴퓨터에 다시 초점을 맞추어 이 기술을 지속적으로 추진하고 있습니다.

연구 참고:

^{1. Main, D., Drmota, P., Nadlinger, D.P., et al.(2025) 광학 네트워크 링크를 통한 분산 양자 컴퓨팅. Nature 638, 383–388. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08404-x}