캘리포니아 공과대학, 중성 원자 큐비트를 트위저로 6,100개까지 확장

광학 트위저가 개발된 지 약 40년이 되었으며, 오늘날까지도 물리학, 생물학, 의학을 혁신하고 있습니다.

광학 트위저는 세포, 원자, 분자, 액적 등 미세한 물체를 접촉 없이 집어 올리고 이동시킬 수 있는 놀라운 도구입니다.

이 도구들은 초점이 맞춰진 레이저를 사용해 물체를 조작합니다. 고도로 집중된 빛의 빔을 이용함으로써, 미세 및 아미크로스코픽 입자를 3차원에서 안정적으로 잡을 수 있습니다.

빔은 고품질 현미경에 의해 한 점으로 집중되어 ‘광학 함정’이 형성되고, 입자를 잡아 둡니다. 이 입자는 빛과의 상호작용으로 인해 산란력과 구배력이라는 두 가지 힘을 경험합니다.

1986년 미국 물리학자 아서 애쉬킨이 개발했으며, 그는 2018년 물리학 노벨상을 수상했습니다. 광학 트위저를 통해 과학자들은 단일 박테리아, 정자 세포, DNA 가닥, 빛과 단일 입자의 상호작용 등을 연구할 수 있게 되었습니다.

오늘날 이러한 과학 기구는 시뮬레이션 및 양자 컴퓨팅 분야의 많은 선도 실험의 기반이 되고 있습니다.

예를 들어, 실험 물리학부와 양자 광학 및 양자 정보 연구소(IQOQI)의 과학자들은 최근 단일 에르븀 원자를 트위저 배열에 가두었습니다¹. 이는 이러한 도구의 활용 범위를 단순 시스템을 넘어 보다 복잡한 양자 실험으로 확장한 첫 사례입니다.

수십에서 수백 개의 원자 큐비트를 가두는 이러한 실험들은 최근 약 천 개 원자 규모의 배열을 달성했습니다.

수천 개 원자 큐비트를 저손실, 장시간 코히런스, 고정밀 이미징을 유지하면서 확장하는 것은 양자 오류 정정의 진전을 위해 필수적이지만, 큰 도전 과제였습니다.
스와이프하여 스크롤 →

하지만 이제 캘리포니아 공과대학 연구원들이 이를 실험적으로 입증했습니다. 그들은 약 12,000개의 사이트에 6,100개의 중성 원자를 트위저 배열로 성공적으로 가두었습니다. 동시에, 팀은 “플랫폼 성공을 뒷받침하는 여러 지표에서 최첨단 성능을 초과했다”고 밝혔습니다.

연구진은 12.6(1)초의 코히런스 시간을 기록했으며, 이는 광학 트위저 배열에서 초미세 스핀 큐비트 사상 최고 기록입니다. 약 23분 동안 지속된 이 실험은 99.98952(1)%라는 사상 최고 이미징 생존율과 99.99% 이상의 이미징 정확도를 달성했습니다.

팀에 따르면, 이러한 결과는 범용 양자 컴퓨팅이 곧 현실이 될 수 있음을 시사합니다.

왜 오류 정정이 양자 컴퓨팅 로드맵을 지배하는가

양자 컴퓨팅은 전 세계 연구자와 기업들의 관심을 사로잡고 있습니다.

뱅가드(BofA) 분석가들에 따르면, 양자 컴퓨팅 시장은 다음 10년 초까지 약 40억 달러 규모에 이를 것으로 예상됩니다.

“양자 컴퓨팅의 약속은 현실이다”라며 분석가들은 고객에게 보낸 메모에서 아직 기술 성장에 여러 장애물이 남아 있으며, 이를 극복하면 “수익에서 훨씬 더 의미 있는 전환점이 나타날 것”이라고 덧붙였습니다.

양자 컴퓨팅 지지자들은 금융, 의료, 물류, 사이버 보안, 재료 과학, 인공지능 등 분야를 변혁시킬 잠재력을 강조합니다.

이번 주에 HSBC 홀딩스는 양자 컴퓨팅을 금융 시장에 적용한 세계 최초 돌파구를 달성했다고 발표했습니다. 런던에 본사를 둔 은행은 IBM의 Heron 양자 프로세서를 채권 거래에 활용했으며, 이를 통해 특정 가격에서 채권이 거래될 확률을 예측하는 정확도가 34% 향상되었습니다.

양자 처리 기술은 유럽 채권 거래 데이터에 적용되었으며, 시장 효율성을 크게 높이는 능력을 보여주었습니다.

다른 분야에서 양자 기술의 실용적 적용은 아직 확고히 자리 잡지 못했으며, 비평가들은 양자 컴퓨터 혁명이 멀었을 뿐 아니라 제한적이라고 주장합니다.

예를 들어, 지난해 말 구글은 Willow라는 새로운 칩을 발표했으며, 이는 양자 컴퓨팅 분야의 중대한 돌파구라고 주장했지만, 해당 성능 벤치마크에 “실제 적용 사례가 알려진 바 없다”는 지적이 있었습니다.²

그럼에도 불구하고, 맥킨지는 양자 기술 시장 가치가 10년 안에 1천억 달러까지 상승할 수 있다고 추정합니다.

이러한 수치는 고전 컴퓨터로는 해결할 수 없고 양자 컴퓨터가 손쉽게 처리할 수 있는 문제에 대한 기대에 기반합니다.

하지만 현재 양자 컴퓨팅은 탈코히런스로 인한 심각한 문제에 직면해 있습니다. 이는 큐비트를 매우 취약하고 오류에 쉽게 노출되게 합니다. 이 때문에 비용이 많이 드는 오류 허용(fault tolerance)이 신뢰할 수 있는 양자 컴퓨팅에 필수적입니다.

큐비트(양자 비트)는 고전 컴퓨터의 비트와 동등합니다. 하지만 고전 비트는 항상 0 또는 1이지만, 양자 비트는 측정될 때까지 0과 1을 동시에 가질 수 있으며, 여러 큐비트의 상태도 얽힐 수 있습니다.

이 두 현상, 즉 중첩(큐비트가 동시에 여러 상태에 존재할 수 있는 능력)과 얽힘(거리와 관계없이 큐비트가 동일한 상태를 공유하는 능력)은 양자 컴퓨터가 고전 컴퓨터가 가질 수 없는 능력을 부여합니다.

하지만 이 두 상태는 매우 연약하여 환경과의 사소한 상호작용에도 쉽게 파괴됩니다.

전자기 간섭부터 온도 변화까지, 환경 요인은 이러한 특성을 붕괴시켜 부정확한 결과를 초래합니다. 따라서 이러한 취약성은 확장 가능하고 강력한 양자 컴퓨팅을 위한 가장 큰 장애물 중 하나이며, 따라서 많은 연구가 양자 오류 정정(QEC)에 집중되고 있습니다.

연구자들이 큐비트의 취약성을 보완하고 오류를 정정하는 방법 중 하나는 여분의 중복 큐비트를 추가하는 것입니다. 이는 수십만 개의 큐비트를 갖춘 견고한 양자 컴퓨터를 의미합니다.

캘리포니아 공과대학의 기록 경신 중성 원자 배열, 양과 질의 균형

많은 큐비트를 보유해 오류를 정정하려는 목표(양자 컴퓨터 구축)에 나선 캘리포니아 공과대학 연구팀은 지금까지 조립된 가장 큰 큐비트 배열을 만들며 기록을 세웠습니다.

총 6,100개의 중성 원자 큐비트가 레이저를 이용해 격자에 가두어졌습니다. 이전에는 이러한 배열이 수백 개의 큐비트만을 포함했습니다.

Nature에 발표된 연구 “A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits”³은 중성 원자를 활용한 이 이정표를 상세히 다룹니다.

중성 원자는 전하가 없는 원자를 의미합니다. 즉, 양성자 수와 전자 수가 동일합니다.

내부 에너지 준위를 활용해 중성 원자를 큐비트로 사용할 수 있습니다. 레이저와 자기장을 이용해 에너지 준위를 제어하고 조작해 특정 연산을 수행합니다.

중성이라는 특성 덕분에 원자 간 강한 상호작용이 없으며, 대규모 원자 배열을 가두고 대규모 양자 프로세서를 구축할 수 있습니다. 또한 중성 원자는 긴 코히런스 시간을 보여 양자 계산에 유리합니다.

하지만 물론, 트래핑, 냉각, 조작에 대한 정밀 제어가 필요하다는 과제도 존재합니다.

“중성 원자 양자 컴퓨팅에 흥미로운 순간입니다. 이제 대규모 오류 정정 양자 컴퓨터로 가는 길이 보입니다. 기본 블록이 마련되었습니다.”

– 연구 책임자 매누엘 엔드레스 & 캘리포니아 공과대학 물리학 교수

캘리포니아 공과대학 대학원생인 한나 마넷시, 노무라 교헤이, 엘리 바타이유가 이 연구를 이끌었으며, 광학 트위저를 사용해 수천 개의 세슘(Cs) 원자를 격자에 가두었습니다.

원자 배열을 만들기 위해 레이저 빔을 12,000개의 트위저로 분할했으며, 진공 챔버 안에 총 6,100개의 원자를 가두었습니다. “스크린에 각 큐비트를 빛의 점으로 실제로 볼 수 있다”고 마넷시는 말했습니다. “대규모 양자 하드웨어의 놀라운 이미지입니다.”

팀은 규모를 확대했지만 품질을 희생하지 않았으며, 긴 코히런스 시간도 달성했습니다.

큐비트를 약 13초 동안 초포지션 상태로 유지했으며, 이는 기존 배열보다 약 10배 긴 시간입니다. 또한 개별 큐비트를 99.98%의 정확도로 조작했습니다.

노무라에 따르면:

“대규모, 더 많은 원자는 보통 정확도가 떨어진다고 생각되지만, 우리의 결과는 양과 질을 모두 달성할 수 있음을 보여줍니다. 큐비트는 품질 없이는 유용하지 않으며, 이제 우리는 양과 질을 모두 갖추었습니다.”

또한 팀은 원자를 수백 마이크로미터(μm) 이동시키면서도 초포지션을 유지할 수 있음을 보여주었습니다. 물을 든 유리잔을 달리면서 균형을 잡는 것과 같습니다.

“움직이면서 원자를 잡는 것은 물이 담긴 유리잔이 기울어지지 않게 하는 것과 같습니다. 동시에 원자를 초포지션 상태에 유지하는 것은 물이 튀지 않게 빠르게 달리지 않는 것과 같습니다.”

– 마넷시

이 능력은 중성 원자 양자 컴퓨터의 핵심 특징으로, 초전도 큐비트에 비해 보다 효율적인 오류 정정을 가능하게 합니다.

연구는 수천 개 물리 큐비트 규모에서 양자 오류 정정을 구현하는 데 중성 원자가 강력한 후보임을 보여주며, 이는 분야의 다음 주요 성과가 될 것입니다.

“양자 컴퓨터는 오류에 강인한 방식으로 정보를 인코딩해야 실제로 가치 있는 계산을 수행할 수 있습니다. 고전 컴퓨터와 달리, 큐비트는 소위 ‘복제 금지 정리’ 때문에 단순히 복제될 수 없으므로 오류 정정은 보다 미묘한 전략에 의존해야 합니다.”

– 바타이유

초포지션 상태를 달성했으니, 이제 팀은 얽힘에 집중할 예정이며, 이를 통해 배열 내 큐비트를 연결해 입자들이 하나처럼 행동하도록 할 것입니다.

얽힘 상태를 달성하면 양자 컴퓨터는 완전한 양자 계산과 시뮬레이션을 수행할 수 있게 되며, 얽힘을 활용해 새로운 과학적 발견도 가능해집니다.

“우리는 양자 역학만이 가르쳐줄 수 있는 방식으로 우주를 배우는 기계를 만들고 있다는 점이 흥미롭습니다.”

– 마넷시

새로운 오류 억제 아키텍처 및 초얽힘 결과

엔드레스와 그의 팀은 오랫동안 양자 컴퓨팅을 연구해 왔습니다. 그는 광학 트위저를 이용해 단일 원자를 제어하며 양자 시스템의 기본 특성을 연구합니다.

6,000개가 넘는 개별 원자를 제어하는 기록적인 양자 시스템 외에도, 그의 팀은 양자 기계의 오류를 지우는 새로운 기술과 세계에서 가장 정밀한 시계를 제공할 수 있는 새로운 장치를 개발했습니다.

올해 5월, 그들은 연구를 발표했습니다⁴. 이 연구는 원자의 진동 움직임이라는 문제를 다루며, 이는 시스템 제어를 어렵게 만들었습니다. 그들은 오히려 이 문제 자체를 이용해 양자 정보를 인코딩했습니다.

“우리는 양자 시스템에서 일반적으로 원치 않는 잡음 원천으로 여겨지는 원자 움직임을 강점으로 바꿀 수 있음을 보여줍니다.”

연구 공동 1인 저자, 아담 쇼

그들의 실험은 원자 움직임에 양자 정보를 인코딩했으며, 이를 통해 초얽힘 상태를 만들었습니다.

이는 초얽힘된 원자 쌍의 전자 상태와 움직임 상태가 서로 상관관계에 있음을 의미합니다. 대량 입자(중성 원자 또는 이온)에서 최초로 초얽힘을 구현한 이번 시연은 더 많은 특성을 동시에 얽힐 수 있음을 시사합니다.

“이렇게 하면 원자당 더 많은 양자 정보를 인코딩할 수 있습니다.”라고 엔드레스는 말했습니다. “자원을 적게 쓰면서 더 많은 얽힘을 얻을 수 있습니다.”

그들의 실험을 위해 개별 알칼리 토금속 중성 원자 배열을 냉각했으며, ‘열운동 흥분의 탐지 및 후속 활성 보정’이라는 새로운 냉각 방식을 시연했습니다.

팀은 기본적으로 각 원자의 움직임을 측정하고, 결과에 따라 원자별로 연산을 적용했습니다.

이 기술은 원자를 거의 완전히 정지 상태에 가깝게 만들었습니다. 이후 원자들을 100 nm 진폭으로 진동시키며 두 개의 구별된 진동을 동시에 유도해 움직임을 초포지션 상태에 두었습니다.

그 후 개별 원자들은 파트너 원자와 얽히게 되었으며, 이 파트너 원자들은 다시 초얽힘되어 원자의 움직임과 전자 상태가 상관관계를 갖게 되었습니다.

“본질적으로 우리는 원자를 얼마나 제어할 수 있는지 한계에 도전하고 있습니다. 우리는 전자를 제어하는 방법을 알았고, 이제 원자의 전체 외부 움직임을 제어하는 방법을 배웠습니다. 마치 완전히 장악한 원자 장난감과 같습니다.”

– 엔드레스

캘리포니아 공과대학 양자 컴퓨팅 센터의 또 다른 연구팀은 새로운 양자 칩 아키텍처를 시연했습니다⁵. 이 아키텍처는 오류를 억제하도록 설계되었습니다.

“양자 컴퓨터가 성공하려면 현재보다 약 10억 배 정도 낮은 오류율이 필요합니다.”라고 AWS의 양자 하드웨어 책임자이자 캘리포니아 공과대학 물리학 교수인 오스카 페인터는 말했습니다. “오류율은 감소하고 있지만, 2년마다 두 배 정도 감소하는 속도는 느립니다. 이를 가속화하기 위해 우리는 새로운 칩 아키텍처를 개발하고 있으며, 이는 ‘초기 빌딩 블록’에 불과합니다.”

연구진은 비트 플립 오류가 크게 감소한 캣 큐비트를 사용하고 있으며, 남은 오류는 위상 플립 오류뿐입니다. 이는 반복 코드를 사용할 수 있음을 의미합니다. 새로운 칩 ‘오셀롯(Ocelot)’에서는 고전적인 반복 코드를 적용해 오류 정정에 필요한 추가 큐비트 수를 최대 90%까지 줄일 수 있습니다.

“우리는 오류 정정에 필요한 추가 큐비트 수를 최대 90%까지 줄일 수 있는 보다 확장 가능한 아키텍처를 시연했습니다.”

– 페르난도 브란다오, 캘리포니아 공과대학 이론 물리학 교수이자 AWS 응용 과학 책임자

오셀롯 칩은 다섯 개의 캣 큐비트, 진동을 안정화하는 특수 버퍼 회로, 그리고 위상 오류를 감지하는 네 개의 보조 큐비트를 결합합니다. 반복 코드는 세 개에서 다섯 개의 캣 큐비트로 확장될수록 위상 플립 오류를 포착하는 데 효과적임이 입증되었습니다.

양자 기술에 투자하기

현재 시장에서 가장 순수한 양자 컴퓨팅 기업 중 하나는 IonQ (IONQ )이며, 트랩 이온 방식을 통해 기술을 현실화하고 있습니다. 이 회사를 돋보이게 하는 점은 고정밀 게이트, 주요 클라우드 플랫폼과의 통합, 공격적인 인수 전략, 강력한 특허 성장입니다, 하지만 확장 비용이 큰 도전 과제로 남아 있습니다.

IonQ (IONQ )

10년 전 메릴랜드 대학교와 듀크 대학교에서의 수년간 연구를 기반으로 설립된 IonQ는 트랩 이온 양자 컴퓨터를 개발하고 있습니다. 회사의 목표는 이 기술을 상업, 산업, 학술 분야에 적용하는 것입니다.

이를 위해 회사는 이온화된 원자에 집중하고 있으며, 이는 컴퓨터가 더 복잡한 계산을 더 오래, 더 적은 오류로 수행하도록 할 수 있다고 믿고 있습니다.

이번 달 IonQ는 바륨 개발 플랫폼에서 99.9% 이상의 두 큐비트 게이트 정확도를 달성했다고 발표했습니다. 이는 상용 시스템인 IonQ Tempo에 한 걸음 더 다가선 것입니다.

이 이정표는 “엔터프라이즈 급 시스템에 중요한 임계점”이라고 IonQ 엔지니어링 및 기술 부문 SVP인 딘 카스만이 말했으며, “네이티브 게이트 정확도가 높을수록 모든 형태의 오류 정정이 덜 필요합니다. 높은 정확도는 더 빠르고 정확한 양자 애플리케이션에도 필수적입니다.”라고 덧붙였습니다.

바륨 이온을 큐비트로 사용하는 것은 회사가 오랫동안 작업해 온 이터븀 이온에서의 전환을 의미합니다. 바륨 이온은 게이트 속도 향상, 높은 네이티브 정확도 한계, 더 나은 안정성, 낮은 상태 준비/측정(SPAM) 오류, 전반적인 성능 우수성 때문에 선택되었습니다.

IonQ는 또한 1,000개가 넘는 특허 포트폴리오를 보유하고 있으며, 이를 통해 확장 가능하고 고성능이며 비용 효율적인 시스템을 개발해 상업적 양자 우위를 가속화할 수 있다고 주장합니다.

2025년 9월 29일 현재, IONQ는 주당 $64.26에 마감했으며(2025년 9월 23일 사상 최고 $75.14), 이는 2024년 9월 30일 $8.74 대비 약 7.4배 상승한 수치입니다. 연간 실적은 출처에 따라 다르지만 대체로 +50–90% 수준이며, 시가총액은 약 $20–22 B입니다.

회사는 현재 TTM EPS가 -2.02이며, TTM P/E는 -33.35입니다.

재무 측면에서 IonQ는 2025년 6월 30일 종료된 2분기에 매출 $20.7 백만을 기록했으며, 순손실은 $177.5 백만이었습니다. 현금 및 현금성 자산, 투자액은 기간 말 $656.8 백만이었습니다.

이번 분기에 회사는 업계 최대 규모의 단일 기관 투자로 재무 구조를 강화했습니다. 또한 IonQ는 양자 인터커넥트 기업 Lightsynq와 우주 기술 기업 Capella를 인수했으며, 옥스포드 이오닉스(Oxford Ionics) 인수를 $10.75 억에 제안했습니다.

“IonQ 하드웨어와 소프트웨어 전문성, 그리고 옥스포드의 칩 기반 이온 트랩 구현이 결합되면 팀, IP, 기술, 모멘텀이 확보돼 2027년에 800개의 논리 큐비트, 2030년에 80,000개의 논리 큐비트를 달성할 수 있습니다.”

– CEO 니콜로 데 마시

2분기에 IonQ는 AstraZeneca (AZN ), NVIDIA (NVDA ), AWS와 협력해 양자 가속 화학 계산 워크플로(신약 개발)에서 최대 20배 속도 향상을 달성했다고 보고했습니다.

최신 IonQ (IONQ) 주식 뉴스 및 개발

결론

양자 기술은 복잡한 문제를 해결함으로써 산업 전반에 혁신을 일으킬 것으로 널리 기대됩니다. 캘리포니아 공과대학의 기록 경신 실험은 대규모 오류 정정 양자 컴퓨팅이 현실에 점점 가까워지고 있음을 보여줍니다.

이러한 연구와 새로운 아키텍처, 재료 혁신, 상업적 기업들의 가속화된 개발이 결합되면 양자 기술은 향후 몇 년 안에 보편적으로 활용 가능한 도구가 되어 과학과 사회 전반에 획기적인 돌파구를 제공할 것입니다.

양자 컴퓨팅 상위 기업 목록을 보려면 여기를 클릭하세요.

References

1. Grün, D. S., White, S. J. M., Ortu, A., Di Carli, A., Edri, H., Lepers, M., Mark, M. J. & Ferlaino, F. (2024). Optical Tweezer Arrays of Erbium Atoms. Physical Review Letters, 133, 223402. 게시일 26 2024년 11월. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.223402
2. Neven, H. (2024, December 9). Meet Willow, our state-of-the-art quantum chip. Google Research Blog. Retrieved from https://blog.google/technology/research/google-willow-quantum-chip/
3. Manetsch, H. J., Nomura, G., Bataille, E., et al. (2025). A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits. Nature. 게시일 24 2025년 9월. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4
4. Manetsch, H. J., Nomura, G., Bataille, E., Leung, K. H., Lv, X. & Endres, M. (2025). A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits. Nature. (Version of Record), published 24 2025년 9월. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4
5. Putterman, H., Noh, K., Hann, C. T., et al. (2025). Hardware-efficient quantum error correction via concatenated bosonic qubits. Nature, 638, 927–934. (Version of Record), published 26 2025년 2월. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08642-7