컴퓨팅
첨단 초전도 기술로 양자 컴퓨팅이 도약
신흥 기술인 양자 컴퓨팅은 양자 메커니즘의 법칙을 활용하여 기존 컴퓨터의 능력을 넘어서는 복잡한 문제를 해결합니다.
이 양자 컴퓨터는 정보를 큐비트(또는 양자 비트)에 저장합니다. 고전 비트와 달리 큐비트는 0과 1의 이진 상태를 넘어 존재할 수 있어, 훨씬 빠른 연산이 가능합니다.
또한, 이러한 큐비트는 다양한 형태로 존재하며, 전하를 띤 이온이나 원자를 이용하는 트랩 이온 큐비트, 빛 입자를 이용하는 포톤 큐비트, 그리고 전류가 흐르는 회로 루프인 초전도 큐비트가 있습니다.
‘솔리드 스테이트’ 양자 계산의 일환인 초전도 큐비트는 1999년에 처음 시연되었습니다. 그 이후로 주요 큐비트 기술 형태 중 하나로 발전했으며, 에너지 소실 감소, 낮은 저항, 디코히런스 감소, 확장 가능한 양자 회로, 고속 큐비트 작동, 안정적인 큐비트 상태, 높은 충실도의 큐비트 제어 및 오류 정정과 같은 이점을 제공합니다.
지난 10년 동안 초전도 양자 컴퓨팅은 실용적인 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 인기 있는 선택이 되었으며, 지속적인 연구를 통해 실현에 점점 가까워지고 있습니다.
초전도 재료의 최신 돌파구
이번 주에 연구팀이 Science Advances에 양자 컴퓨팅용 새로운 초전도 재료 개발에 관한 연구를 발표했습니다.
새로운 초전도 재료는 ‘위상 초전도체’ 후보로, 구멍이나 전자의 비국소화된 상태를 이용해 양자 정보를 전달하고 데이터를 처리하는 유형입니다.
캘리포니아 대학교의 물리학자 펭 웨는 삼각 텔루륨(비자성 물질로, 거울 이미지와 겹쳐질 수 없음)과 얇은 금 박막 표면에 생성된 표면 상태 초전도체를 결합한 연구팀을 이끌었습니다.
이 조합은 스핀 편극이 강화된 2D 인터페이스 초전도체를 만들어, 여기서 발생하는 입자를 이용해 안정적인 스핀 큐비트를 생성할 수 있게 합니다. 이 획기적인 초전도 재료는 양자 컴퓨팅 부품의 확장성 및 신뢰성을 혁신할 잠재력을 가지고 있습니다.
“키랄 물질과 금 사이에 매우 깨끗한 인터페이스를 만들면서, 우리는 2차원 인터페이스 초전도체를 개발했습니다. 이 인터페이스 초전도체는 스핀 에너지가 기존 초전도체보다 여섯 배 더 강화된 환경에서 작동한다는 점에서 독특합니다.”
– 물리·천문학 부교수 Wei
자기장 하에서, 이 물질은 전이가 일어나는 것이 관찰되었으며, 이는 트리플렛 초전도체로 활용될 수 있음을 시사합니다. 이는 낮은 자기장보다 높은 자기장에서 더 견고해짐을 의미합니다.
또한, 비자성 물질을 사용해 더 깨끗한 인터페이스를 구현함으로써, 이 새로운 기술은 양자 컴퓨팅에서 큰 과제인 디코히런스 원천을 자연스럽게 억제합니다.
연구진은 초전도체를 고품질 저손실 마이크로파 공진기로 제작할 수 있음을 입증했으며, 이는 양자 컴퓨팅의 핵심 부품입니다. 따라서 저손실 초전도 큐비트로 이어질 수 있습니다.
큐비트 시스템에서 디코히런스 또는 양자 정보 손실을 줄이는 것이 양자 컴퓨팅의 가장 큰 과제인 만큼, 이 연구는 보다 확장 가능하고 신뢰할 수 있는 양자 컴퓨팅 부품 개발에 도움이 될 수 있습니다. Wei에 따르면:
“우리는 일반적인 양자 컴퓨팅 산업에서 사용되는 재료보다 한 차수 정도 얇은 재료를 사용해 이를 달성했습니다.”
These microwave resonators have a quality factor reaching 1 million.
이전 주에 UCLA 주도 팀도 양자 컴퓨팅에 유망한 새로운 재료를 제시하는 연구를 발표했습니다.
이 재료는 일반보다 훨씬 높은 자기장에서도 초전도 특성을 유지했으며, 초전도 다이오드 효과를 보였습니다. 이 효과는 한 방향으로 더 많은 전류가 흐르게 하며, 보통 키랄 초전도체에서 관찰되고 전통적인 초전도체에서는 거의 나타나지 않습니다.
전통적인 초전도체에 키랄 특성을 유도하기 위해, 연구진은 키랄 분자층과 2D 물질인 탄탈럼 디설파이드(TaS2)를 이용한 층상 구조를 만들었습니다.
이 연구는 양자 컴퓨팅의 효율성과 안정성을 향상시키고, 기존 전자기기를 더 빠르고 에너지 효율적으로 만들 수 있는 잠재력을 보여주었습니다.
큐비트 제어 및 확장성 혁신
양자 컴퓨터가 ‘세상을 급격히 바꿀’ 능력을 가지고 있기 때문에, 실용적인 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 전 세계적인 경쟁이 벌어지고 있습니다.
하지만 양자 컴퓨터 성장에 가장 큰 장애물 중 하나는 확장성으로, 충분히 큰 컴퓨터가 실제 문제를 해결할 수 있어야 합니다. 유용한 문제를 다루는 양자 컴퓨터를 만들기 위해서는 더 많은 큐비트가 필요하거나 계산 중 발생하는 오류를 신뢰성 있게 줄이는 방법이 필요합니다.
이에 일본 연구진은 관리 가능한 큐비트 수를 늘리고 필요한 큐비트 수를 줄이는 방식으로 문제 해결에 나섰습니다.
몇 달 전, 연구진은 저온에서 다수의 큐비트를 제어할 수 있는 초전도 회로를 성공적으로 시연했습니다.
이 실험에서 초전도 회로가 마이크로파 멀티플렉싱을 이용해 단일 케이블 하나로 다수의 큐비트를 제어할 수 있음이 입증되었습니다. 이 회로는 케이블당 마이크로파 신호 밀도를 약 1,000배 향상시킬 잠재력을 가지고 있습니다. 이 성과는 제어 가능한 큐비트 수를 크게 늘리고 대규모 양자 컴퓨터 개발에 기여할 수 있습니다.
큐비트와 실온 전자 장치 사이에 필요한 하드웨어를 줄이기 위해 혁신적인 ‘크라이오‑일렉트로닉스’가 개발되었습니다. ‘크라이오‑일렉트로닉스’는 큐비트 근처의 극저온에서 작동하는 큐비트 제어 및 판독 전자 장치입니다.
크라이오‑일렉트로닉스는 절대 영도 위 4도에서 고속 클럭 주파수로 동작함이 입증되었습니다. 현재는 큐비트 근처에서 발생하는 열을 최소화하기 위해 에너지 소비를 줄이는 데 초점이 맞춰지고 있습니다.
일본 연구진의 또 다른 초점은 처리 오류를 교정하는 방법을 찾는 것입니다. 이와 동시에 프린스턴 대학 연구진은 오류 없는 양자 컴퓨팅을 위한 제작 기술을 개발했습니다.
이 연구에서 과학자들은 위상 절연체인 텅스텐 디텔루라이드(WTe2) 위에 초전도층을 만들었습니다. 이 기술은 절연체 표면에 증착된 금속(팔라듐) ‘시드’를 사용해 새로운 결정 구조인 Pd7WTe2를 형성했으며, 이는 저항이 0인 특성을 보였습니다.
원자 확산 기술은 몰리브덴 디텔루라이드(MoTe2)를 포함한 다양한 물질에서도 성공적으로 작동합니다.
추가 테스트를 통해 위상 초전도체인지 확인해야 하지만, 연구진은 이 일반적인 방법으로 새로운 초전도체를 만들 수 있다고 믿고 있습니다.
디코히런스 해결 및 성능 향상
올해 초, 연구진이 초전도 회로에 대한 새로운 접근법을 제시하면서 또 다른 양자 컴퓨팅 돌파구가 나타났습니다. 이 접근법은 양자 컴퓨터의 실행 시간을 크게 연장할 가능성이 있습니다.
앞서 언급했듯이, 큐비트의 양자 상태가 쉽게 불안정해지면서 이러한 컴퓨터의 연속적인 작동이 방해받습니다. 이를 디코히런스라고 하며, 계산 오류를 초래합니다. 이는 다른 큐비트 및 주변 환경과의 상호작용 때문에 발생합니다.
초전도 큐비트는 가장 짧은 시간 안에 다양한 상태로 전환할 수 있어 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 그러나 전환 속도를 향상시키는 동시에, 밀리초 수준의 짧은 시간에도 디코히런스에 더 취약합니다.
이에 국제 연구팀은 ‘flowermon’이라고 명명된 조셉슨 접합 설계를 제안했습니다. 이 설계는 구리 기반 초전도 물질인 두 개의 원자 두께 구리산화물 플레이트를 사용합니다.
“flowermon은 보호된 양자 회로에 비전통적 초전도체를 사용하는 기존 아이디어를 현대화하고, 새로운 제작 기술 및 초전도 회로 코히런스에 대한 새로운 이해와 결합합니다.”
– 독일 막스 플랑크 고체 화학 물리학 연구소의 물리학자 Uri Vool
팀의 계산에 따르면, 이 설계는 노이즈를 감소시켜 큐비트의 코히런스 시간을 수십 배 늘릴 수 있습니다. 다만 현재는 순수 이론 단계이며, 팀은 향후 이 결과를 활용해 초전도 큐비트를 최적화할 계획입니다.
양자 컴퓨터 성능을 개선하기 위해, 지난해 미네소타 대학교 트윈 시티스 팀은 양자 컴퓨터 확장뿐 아니라 인공지능 시스템 향상에도 도움이 되는 가변 초전도 다이오드를 개발했습니다.
다이오드는 전류가 한 방향으로 흐르게 하는 장치입니다. 일반적으로 반도체로 만들지만, 연구진은 초전도체를 이용해 전력을 손실 없이 전달할 수 있는 다이오드 제작을 탐구하고 있습니다.
주요 연구 저자인 Vlad Pribiag는 미네소타 대학교 물리·천문학부 부교수이며, 다음과 같이 언급했습니다:
“우리는 컴퓨터를 더 강력하게 만들고 싶지만, 현재의 재료와 제작 방법으로는 곧 도달할 수 없는 한계가 있습니다.”
컴퓨팅 파워를 향상시키는 가장 큰 과제는 에너지 소모이며, 따라서 팀은 초전도 기술을 선택했습니다.
초전도 다이오드 장치는 세 개의 조셉슨 접합을 사용해 제작되었습니다. 비초전도 물질을 초전도체 사이에 끼워 만들었지만, 연구진은 초전도체를 반도체 층과 연결했습니다.
이 독특한 설계 덕분에 연구진은 전압을 이용해 장치 동작을 제어할 수 있었으며, 일반 다이오드가 하나의 입출력만 처리하는 것과 달리 동시에 여러 전기 신호를 처리할 수 있습니다. 이러한 특징은 초전도 다이오드가 뇌 영감을 받은 뉴로모픽 컴퓨팅에 활용될 가능성을 보여줍니다.
뉴로모픽 컴퓨팅에서는 전기 회로가 인간 뇌의 뉴런 작동 방식을 모방해 성능을 향상시키도록 설계됩니다.
논문의 제1저자인 Mohit Gupta에 따르면, 이 새로운 초전도 다이오드는 기존 초전도 다이오드보다 에너지 효율이 높습니다. 특히 처음으로 에너지 흐름을 제어하는 일련의 게이트가 포함되었습니다. 이 기능은 이전 초전도 다이오드에 적용된 적이 없으며, 이번 연구는 “게이트를 추가하고 전기장을 적용해 이 효과를 조정할 수 있다”는 것을 보여주었습니다.
게다가 이번 연구에 사용된 재료는 산업 친화적이며 새로운 기능을 제공할 수 있었습니다.
이 연구에 사용된 기술은 모든 초전도체에 적용될 수 있어 높은 유연성과 산업 적용성을 제공합니다. 이러한 특성은 양자 컴퓨터 개발을 확대해 보다 넓은 활용을 가능하게 합니다.
“현재 존재하는 모든 양자 컴퓨팅 기계는 실제 응용 요구에 비해 매우 기본적인 수준입니다. 유용하고 복잡한 문제를 해결할 수 있을 만큼 강력한 컴퓨터를 만들기 위해서는 확장이 필요합니다.”
– Pribiag
이는 오늘날 AI 사용이 크게 증가함에 따라 특별한 의미를 갖습니다. 이는 사람들로 하여금 고전 컴퓨터의 성능을 능가할 수 있는 컴퓨터 또는 AI 기계용 알고리즘을 연구하게 만들었습니다. Pribiag는 이 연구가 양자 컴퓨터가 이러한 알고리즘을 구현할 수 있도록 하드웨어를 개발하고 있다고 언급했습니다.
이 연구는 주로 미국 에너지부의 지원을 받았으며, 국립 과학 재단 및 마이크로소프트 리서치의 부분적인 지원도 받았습니다.
성능에 영향을 주지 않으면서 2D 재료로 큐비트 축소
지속적인 연구 개발을 통해 과학자들은 기존 큐비트보다 훨씬 작은 초전도 큐비트를 구축했으며, 이 초전도 큐비트는 2D 재료를 사용해 제작되었습니다.
고전 컴퓨터의 속도와 용량을 능가하기 위해 양자 컴퓨터의 큐비트는 동일한 파장을 가져야 합니다. 이를 달성하기 위해 연구자들은 보통 큐비트의 크기를 희생해야 하는데, 현재도 이 큐비트는 밀리미터 단위이며, 반면 고전 컴퓨터의 트랜지스터는 나노미터 수준으로 축소되었습니다.
큐비트의 물리적 부피를 크게 줄이면서 성능을 유지하기 위해, 콜럼비아 대학 기계공학과 Wang Fong‑Jen 교수인 James Hone은 매우 작은 초전도 큐비트 커패시터를 선보였습니다.
이전에는 엔지니어들이 평면 커패시터를 사용해 큐비트 칩을 만들었습니다. 여기서는 전하가 부여된 판을 나란히 배치했으며, 공간 절약을 위해 쌓을 수는 있지만 이는 큐비트 정보 저장에 방해가 됩니다.
따라서 Hone의 박사과정 학생인 Anjaly Rajendra와 Abhinandan Antony는 초전도성 니오븀 디셀레나이드의 두 전하판 사이에 절연층인 질화붕소를 끼웠습니다. 이 층은 원자 한 겹 두께이며, 전기적 힘 사이의 약한 상호작용인 반데르발스 힘으로 결합됩니다.
그 후 커패시터를 알루미늄 회로와 결합해 칩을 만들었습니다. 이 칩은 두 개의 큐비트를 포함하고 두께가 35나노미터에 불과해, 기존 방식으로 만든 것보다 1,000배 작습니다.
냉각되면 큐비트는 동일한 파장을 갖게 되었습니다. 또한 얽혀 단일 유닛처럼 작동하는 것이 관찰되었습니다. 이 양자 코히런스는 짧은 지속시간(1마이크로초 정도)에도 불구하고, 전기 펄스를 통해 큐비트의 양자 상태를 조작하고 읽어낼 수 있음을 의미합니다. Hone에 따르면:
“우리는 이제 2D 재료가 양자 컴퓨터를 가능하게 하는 열쇠가 될 수 있음을 알게 되었습니다. 아직 초기 단계이지만, 이러한 발견은 전 세계 연구자들이 2D 재료의 새로운 응용을 고려하도록 촉진할 것입니다. 앞으로 이 분야에서 더 많은 연구가 이루어지길 기대합니다.”
그들의 독특한 구조 덕분에 2차원(2D) 양자 재료는 재료 과학에서 중요한 돌파구를 마련했습니다. 3D 재료와 달리 2D 양자 재료는 한두 개 원자 두께이며, 전자는 모든 세 방향으로 이동할 수 있습니다.
대표적인 2D 재료로는 실리센, 그래핀, 게르마늄, 스테인, 포스포렌, 전이 금속 디칼코게나이드(TMDCs), 그리고 육방정계 질화붕소(h‑BN)가 있습니다.
이러한 재료들은 다양한 특성과 변혁적인 기술 응용 가능성을 제공하지만, 합성, 통합 및 확장성 측면에서 해결해야 할 과제가 있어, 그 잠재력을 완전히 실현하기 전에 극복해야 합니다.
양자 컴퓨팅 혁신을 이끄는 주요 기업
이제 초전도체와 양자 컴퓨팅에 관여하고 있는 주요 기업들을 살펴보겠습니다:
#1. Alphabet (Google)
Alphabet은 자회사 Google Quantum AI를 통해 양자 컴퓨팅 연구에 대규모 투자를 하고 있습니다. 이 부서는 Sycamore라는 초전도 양자 프로세서를 만들었으며, 2019년에는 강력한 슈퍼컴퓨터가 10,000년이 걸릴 계산을 200초 만에 수행할 수 있었습니다. 그 이후 Sycamore 양자 프로세서는 크게 성장했으며, 현재 70개의 큐비트를 보유하고 있어 이전 모델보다 2억 4천1백만 배 더 강력합니다.
(GOOGL )
이 기술 대기업의 시가총액은 2.06조 달러이며, 주식(GOOGL:NASDAQ)은 현재 165.68달러에 거래되고 있어 연초 대비 18.56% 상승했습니다. 2024년 2분기에 Alphabet은 순이익이 28.6% 증가한 236억 달러를 기록했으며, 총 매출은 14% 상승한 847.4억 달러에 달했습니다. 구글 모기업은 주당 0.20달러 현금 배당도 발표했습니다.
#2. NVIDIA Corporation
NVIDIA는 파트너십과 협업을 통해 양자 컴퓨팅 및 초전도체를 탐구하고 있습니다. 올해 3월, 이 회사는 독일, 일본, 폴란드의 국가 슈퍼컴퓨팅 시설에서 오픈소스 NVIDIA CUDA‑Q™ 플랫폼을 활용해 양자 컴퓨팅 노력을 가속화한다는 계획을 발표했습니다.
(NVDA )
시장에서는 AI 대표주로 꼽히는 NVIDIA 주식은 올해 큰 상승세를 보였으며, 2024년 현재 161.24% 급등했습니다. 이 상승으로 NVDA 주가는 129.45달러에 거래되고 있으며, 시가총액은 3.188조 달러에 달합니다. 이 칩 제조업체는 2024년 1분기에 사상 최고 실적을 기록했으며, 매출은 221억 달러에 이르렀습니다.
결론
따라서 전 세계의 연구자, 기관, 기업들은 복잡한 문제 해결에 뛰어난 양자 컴퓨팅을 발전시키기 위해 노력하고 있습니다. 특히 초전도 기술에 집중함으로써 큰 진전을 이루고 있으며, 이 혁신적인 기술의 전체 잠재력을 실현하는 데 한 걸음 더 다가가고 있습니다.
