컴퓨팅
밀리초 큐비트, 양자 기술의 돌파구를 제시하다
밀리초 규모 초전도 큐비트의 돌파구
Quantum computers could revolutionize how we perform cryptography, calculate complex simulations like proteins’ 3D configuration, and probably have many more applications we are barely guessing today.
양자 컴퓨터는 암호화 수행 방식, 단백질의 3D 구조와 같은 복잡한 시뮬레이션 계산 등을 혁신할 수 있으며, 오늘날 우리가 거의 추측조차 못하고 있는 훨씬 더 많은 응용 분야를 가질 가능성이 있습니다.
작동하려면 가능한 한 안정적인 “큐비트”가 필요합니다. 큐비트는 양자 계산의 기본 요소입니다. 지금까지는 “트랩 이온” 양자 컴퓨터만이 매우 안정적인 큐비트를 생성해냈습니다. 하지만 이 기술은 초전도 큐비트보다 확장하기가 본질적으로 더 어렵습니다.
따라서 초전도 큐비트가 이 기술의 미래가 될 수 있지만, 큐비트의 코히런스 시간 안정성을 향상시켜야 합니다.
프린스턴 대학교의 대규모 연구팀이 바로 이 목표를 달성했습니다. 이들은 코히런스를 1밀리초 이상 유지할 수 있는 초전도 큐비트 유형을 만들었으며, 이는 기존 최고 기록보다 3배 더 긴 시간입니다.
그들은 그들의 연구 결과를 Nature1에 “2D 트랜스몬 큐비트의 밀리초 수명 및 코히런스 시간”라는 제목으로 발표했습니다.
큐비트 코히런스 한계
To perform quantum computation, a quantum computer needs to maintain “coherence”, a special quantum state that is extremely vulnerable to interference from the environment. In general, thermal noise and particle movement tend to destroy coherence in nanoseconds.
양자 계산을 수행하려면 양자 컴퓨터가 “코히런스”라는 특수한 양자 상태를 유지해야 합니다. 이 상태는 환경으로부터의 간섭에 매우 취약합니다. 일반적으로 열 잡음과 입자 움직임이 코히런스를 나노초 단위로 파괴합니다.
초저온과 같은 특수한 조건에서는 큐비트의 수명이 더 길어질 수 있습니다. 그러나 현재 대부분의 양자 컴퓨터에서 충분히 긴 코히런스는 여전히 큰 제한 요소이며, 이는 계산 오류를 초래해 전체 계산 능력을 감소시킬 뿐만 아니라 소프트웨어 업그레이드만으로는 쉽게 보완되지 않습니다.
“실제 도전 과제는 오늘날 실용적인 양자 컴퓨터를 갖지 못하게 하는 이유가 큐비트를 만들지만 그 정보가 오래 지속되지 않는다는 점입니다.
이것이 다음 큰 도약입니다.”
연구원들이 트랜스몬 큐비트 코히런스를 연장한 방법
The researchers used the same type of superconducting qubits used by firms like Google or IBM in their own quantum computer, transmon qubits.
트랜스몬 큐비트는 높은 충실도(단일 큐비트 게이트 충실도가 99.9%를 초과), 대규모 생산 가능성, 그리고 0.1밀리초의 높은 코히런스 시간을 갖는 장점이 있습니다.
이는 유망하지만, 코히런스 시간은 여전히 너무 낮습니다.
따라서 프린스턴 연구원들이 평균 1.68밀리초 지속되는 큐비트를 만들었다고 발표했을 때, 이는 엄청난 개선입니다.
출처: Nature
이는 실험실에서 만든 최고 기록보다 3배 더 긴 지속 시간을 가지며, 양자 컴퓨터를 개발하는 민간 기업이 사용하는 것보다 15배 더 강력합니다.
왜 탄탈럼과 실리콘이 양자 코히런스를 향상시키는가
탄탈럼이 코히런스를 강화하는 이유
To achieve this result, the researchers used two different improvements in the material used.
첫째, 그들은 연약한 회로가 에너지를 보존하도록 돕기 위해 탄탈럼이라는 금속을 기본 층으로 사용했습니다. 이는 금속 내부의 미세하고 숨겨진 표면 결함이 이동하는 에너지를 포획하고 흡수할 수 있기 때문입니다.
칩에 더 많은 큐비트를 추가할수록 이 오류는 증폭되어 특정 수를 초과하면 사용이 무용지물이 됩니다.
스캔 전송 전자 현미경(STEM)을 사용하여 탄탈럼의 입방체 결정이 매우 규칙적인 구조임을 확인했습니다.
출처: Nature
알루미늄과 같은 금속에 비해 탄탈럼은 결함이 훨씬 적으며, 불순물을 제거하기 위한 거친 세정 공정에도 높은 내성을 보입니다.
“탄탈럼을 산에 넣어도 특성이 변하지 않습니다.”
실리콘 위에 탄탈럼을 직접 성장시키는 것은 극복하기 위해 많은 노력이 필요한 도전이었습니다.
스크롤하려면 스와이프 →
| 큐비트 재료 | 기판 | 평균 코히런스 시간 | 결함 밀도 | 제조 용이성 |
|---|---|---|---|---|
| Aluminum | Sapphire | 0.1 ms | 높음 | 중간 |
| Tantalum | High-resistivity Silicon | 1.68 ms | 낮음 | 높음 (반도체 호환) |
실리콘이 사파이어를 대체
Another source of energy loss leading to losing coherence is the sapphire substrate used in quantum chips.
대신 연구원들은 전통적인 컴퓨팅 산업에서 일반적으로 사용되는 고품질(고저항성) 실리콘을 사용했습니다.
이러한 탄탈럼-실리콘 플랫폼에서 사용된 재료 개선을 통해 결과적인 단일 큐비트 게이트는 99.994%의 충실도를 달성했습니다.
실험실 돌파구에서 확장 가능한 양자 칩으로
The researchers went on to use their method to build a fully functioning quantum chip that outperforms all previous designs.
오류율은 곱셈적으로 증가하기 때문에 이러한 개선은 시스템 규모에 따라 지수적으로 확장됩니다. 결과적으로 개별 큐비트의 오류율이 10-15배 개선되면 다중 큐비트 컴퓨터에 훨씬 큰 영향을 미칩니다.
중요한 점은 이러한 큐비트가 새로운 이국적인 개념이 아니라, 다른 재료를 사용한 “전통적인” 초전도 큐비트라는 점이며, 따라서 기존 양자 컴퓨터와 양자 컴퓨팅 소프트웨어에 쉽게 통합될 수 있습니다.
“프린스턴의 부품을 구글의 최고 양자 프로세서인 Willow에 교체하면 1,000배 더 잘 작동하게 됩니다.
프린스턴 큐비트의 이점은 시스템 규모가 커질수록 지수적으로 증가하므로, 더 많은 큐비트를 추가하면 더욱 큰 혜택을 얻을 수 있습니다.
”
이는 프린스턴 설계가 가상의 1,000큐비트 컴퓨터를 약 10억 배 더 효율적으로 작동시킬 수 있음을 의미합니다.
게다가 탄탈럼과 실리콘을 사용함으로써 제조 방법이 이미 반도체 산업에서 사용 중인 방식과 맞아떨어져, 완전히 새로운 기술보다 대량 생산을 훨씬 쉽게 달성할 수 있습니다.
이 연구는 이전에 논의한 실리콘 양자 칩이 양자 컴퓨팅 산업에 적합한 방향임을 시사합니다.
더 나은 양자 광원, 하이브리드 양자-광자 칩, 그리고 일반 텔레콤 데이터 흐름과 함께 양자 정보를 전달할 가능성과 함께, 이러한 단계들은 훨씬 큰 양자 컴퓨터를 향해 기술이 빠르게 상업적 성숙 단계에 도달하고 있음을 보여줍니다.
양자 컴퓨팅 혁신에 투자하기
1. Alphabet Inc.
(GOOGL )
구글은 양자 컴퓨팅에 매우 활발히 참여하고 있으며, 주로 Google Quantum AI 연구소와 산타바바라에 위치한 Quantum AI 캠퍼스를 통해 활동합니다.
구글의 양자 컴퓨터는 2019년에 Sycamore 기계로 “양자 우월성”을 달성했다고 주장하면서 역사를 만들었습니다. 이 기계는 200초 만에 계산을 수행했으며, 이는 기존 슈퍼컴퓨터가 10,000년이 걸릴 작업이었습니다.
하지만 이는 현재 Willow라는 최신 칩의 성능에 비하면 미미합니다. 이는 오류율이 충분히 낮아 큐비트를 추가할수록 오류가 감소하는 최초의 양자 컴퓨팅 칩이며, 최초의 확장 가능한 양자 칩 설계입니다.
하지만 구글의 가장 큰 기여는 소프트웨어 분야일 가능성이 높으며, 이는 하드웨어(검색, G Suite, Android 등)보다 실제로 더 인상적인 실적을 보이고 있습니다.
이미 구글의 Quantum AI는 과학자들이 양자 알고리즘을 개발하도록 돕는 소프트웨어 모음을 제공하고 있습니다.
It also openly advocates for “연구원, 엔지니어 및 개발자 여러분이 우리와 함께 이 여정에 동참하고 다음을 확인함으로써 open source software 및 교육 자료, 여기에는 new course on Coursera, 개발자들이 양자 오류 정정의 핵심을 배우고 미래 문제를 해결할 알고리즘을 만드는 데 도움을 줄 수 있습니다.”
이러한 개방형 접근 덕분에 구글은 현재 하드웨어와 클라우드 솔루션 모두에서 선두를 달리고 있습니다. 구글은 양자 컴퓨팅 소프트웨어와 양자 프로그래밍의 표준을 설정하는 기업 중 하나가 될 수 있으며, 이는 분야의 미래 발전을 주도할 특권적인 위치를 제공합니다.
한편, Waymo의 자율주행 자동차를 포함한 AI 솔루션은 여전히 검색 및 광고 산업에서 압도적인 지배력을 유지하고 있는 알파벳의 새로운 수익 동력이 될 수 있습니다.
구글의 비양자 관련 활동, 특히 광고와 AI에 대해 더 알고 싶다면 2024년 12월에 발행된 우리의 전용 보고서를 참고하십시오.
최신 Alphabet (GOOGL) 주식 뉴스 및 개발 현황
참조 연구:
1. Bland, M.P., Bahrami, F., Martinez, J.G.C. et al. Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits. Nature 647, 343–348 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4
