컴퓨팅
음파가 양자 정보 저장에 획기적인 돌파구를 제공한다
양자 컴퓨팅은 AI, 금융, 물류, 재료 과학, 신약 개발 및 암호학 분야에서 획기적인 돌파구를 이끌어낼 복잡한 문제들을 해결하는 데 전례 없는 속도를 약속한다.
하지만 기술의 잠재력은 방대하지만 이를 실현하는 것은 쉽지 않으며, 실제로 양자 컴퓨터를 작동시키고 실제 문제를 해결에 활용하는 것이 매우 어렵다는 것이 입증되었다.
양자 컴퓨팅은 아직 실험 단계의 기술이며, 연구자들이 작업 중이며 양자 수준 현상의 정확한 시뮬레이션을 수행하기 위한 장애물을 극복하려 하고 있다. 여기서 주요 문제 중 하나는 정보를 오랫동안 저장하는 것이다.
이는 초전도 큐비트가 양자 정보를 처리하는 뛰어난 능력을 가지고 있지만, 코히런스 시간이 상당히 제한적이기 때문이다.
코히런스는 양자 시스템이 중첩 상태에서 서로 다른 상태 간의 관계를 유지하는 능력이다. 이 기본적인 특성은 큐비트가 기본 상태들의 선형 결합으로 존재하게 하여 양자 컴퓨팅의 핵심인 병렬성 및 간섭을 가능하게 한다.
양자 연산을 수행하는 데 필수적인 코히런스는 매우 취약하며 환경과의 작은 상호작용만으로도 쉽게 손실될 수 있다.
코히런스가 없으면 큐비트는 양자 행동을 잃어 양자 계산이 무의미해진다. 한편, 디코히런스는 코히런스가 손실되는 과정이며, 이는 양자 컴퓨터를 구축하고 운영하는 데 여전히 큰 도전 과제이다.
현재 초전도 큐비트는 큐비트를 구현하는 물리적 방법이며, 양자 코히런스를 유지해야 작동한다. 하지만 물론 디코히런스가 가장 큰 과제로 남아 있다.
초전도 큐비트는 특정 물질로 만든 작은 회로로, 중첩 및 얽힘과 같은 양자 현상을 활용해 계산을 수행한다. 회로를 만드는 물질은 거의 절대 영도에 가깝게 냉각되어 초전도 상태가 되며, 이는 전기 저항 없이 전류를 전달할 수 있음을 의미한다.
이러한 초전도 큐비트는 빠른 계산에 뛰어나지만, 장기간 정보를 저장하는 데는 어려움을 겪는다.
하지만 광자와 포논 사이의 인터페이스는 양자 정보를 장수명 기계 진동자에 저장할 수 있게 할 수 있다. 캘리포니아 공대 팀은 바로 이를 구현했으며, 나노 규모 구조에서 정전기력을 이용해 큐비트와 나노기계 진동자 사이의 강한 결합을 달성하는 플랫폼을 도입했다.
에너지 감쇠 시간(T1)은 약 25 ms이며, 이는 통합 초전도 회로에서 구현된 것보다 더 길다.
디코히런스의 원인을 탐구하고 그 영향을 줄이기 위해 팀은 양자 연산을 사용했다. 두 펄스 동적 디커플링 시퀀스를 활용해 코히런스 시간(T2)을 64 µs에서 1 ms로 연장하는 데 성공했다.
연구 결과는 초전도 장치에서 기계 진동자가 양자 메모리 역할을 할 수 있으며, 양자 컴퓨팅, 센싱 및 변환에 활용될 잠재력이 있음을 보여준다.
음파가 양자 상태를 더 오래 저장하는 방법
전통적인 컴퓨터, 예를 들어 노트북과 스마트폰은 정보를 비트 형태로 저장한다.
비트는 디지털 정보의 가장 작은 단위이며, 0 또는 1이라는 단일 이진 값을 갖는 기본 논리 요소이다.
반면 양자 컴퓨터는 0과 1이 동시에 존재하는 상태, 즉 중첩을 가질 수 있으며, 이것이 양자 컴퓨팅이 고전 컴퓨터로는 해결하기 어려운 문제를 해결할 수 있다는 약속의 근본이다.
많은 기존 양자 컴퓨터는 초전도 전자 시스템을 기반으로 하며, 전자는 극저온에서 저항 없이 흐른다. 이러한 시스템에서 전자의 양자역학적 특성이 공진기를 통해 흐를 때 초전도 큐비트가 생성된다.
이러한 큐비트는 연산에 필요한 논리 연산을 수행하는 데 뛰어나지만, 특정 양자 시스템의 수학적 기술자로 표현되는 정보를 저장하는 데는 그다지 좋지 않다.
양자 상태의 저장 시간을 늘리기 위해 엔지니어들은 초전도 큐비트를 위한 ‘양자 메모리’ 구축을 모색하고 있다.
캘리포니아 공대 과학자 팀은 이러한 양자 메모리에 대해 하이브리드 접근 방식을 취했다.
이 접근법을 통해 전기 정보를 효과적으로 소리로 변환했다. 양자 정보를 음파로 변환하기 위해 그들은 미니어처 튜닝 포크와 같은 작은 장치를 사용했다.
이것은 양자 상태의 수명을 다른 기술에 비해 최대 30배 연장시켰으며, 계산뿐 아니라 기억까지 가능한 확장 가능하고 실용적인 양자 컴퓨터의 기반을 마련했다.
“양자 상태를 얻으면 즉시 아무것도 하지 않을 수도 있다. 논리 연산을 수행하고 싶을 때 다시 접근할 수 있는 방법이 필요한다. 이를 위해서는 양자 메모리가 필요하다.”
– 캘리포니아 공대 전기공학 및 응용물리학 조교수 Mohammad Mirhosseini
국립 과학 재단 및 공군 과학 연구소의 지원을 받아, 이 연구는 캘리포니아 공대 대학원생 Alkim Bozkurt와 Omid Golami가 이끌었으며 게재1되었다. 저널 Nature Physics에 실렸다.
이 연구는 칩 위에 초전도 큐비트를 제작하고, 이를 기계 진동기라고 불리는 작은 장치에 연결한 과정을 상세히 설명한다.
기계 진동기는 진동 운동을 보여주는 시스템이다. 본질적으로 미니 튜닝 포크이며, 이번 연구에서는 유연한 판들로 구성된다. 이 판들은 기가헤르츠(GHz) 주파수의 음파를 사용해 진동한다.
팀이 이러한 유연한 판에 전하를 부여하면, 양자 정보를 전달하는 전기 신호와 상호작용하여 장치 안으로 전달돼 ‘메모리’로 저장되고, 이후 다시 전달되어 ‘기억’될 수 있다.
연구자들은 정보가 장치에 들어간 후 진동기가 양자 내용을 잃는 데 걸리는 시간을 측정했다.
“이 진동기들은 현재 최고의 초전도 큐비트보다 약 30배 더 긴 수명을 가지고 있다.”
– Mirhosseini
이 양자 메모리 구축 방법은 다른 기술에 비해 다양한 장점을 가지고 있다. 예를 들어 음향 파동은 전자기 파동보다 훨씬 느리게 전파되므로 더 컴팩트한 장치를 구현할 수 있다.
전자기(EM) 파동은 전기 및 자기장의 진동으로 이루어진 횡파이며, 공간을 통해 에너지를 전달한다. 이는 전하 입자의 가속에 의해 생성되며 라디오파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선을 포함하는 스펙트럼을 포괄한다.
스크롤하려면 스와이프 →
| 속성 | 전자기 파동 | 음향(기계) 파동 | 양자 메모리와의 관련성 |
|---|---|---|---|
| 전파 방식 | 매질 불필요; 진공에서 c로 이동 | 매질 필요(고체/액체/기체) | 기계 에너지가 칩 구조 내에 제한되어 누수를 감소시킴 |
| 전형적인 장치 주파수 | GHz–THz | MHz–GHz (ultrasound/phonons) | GHz 포논이 초전도 회로와 일치하여 저장/변환에 적합 |
| 장치 면적 | 동일 파장에 대해 더 큰 공진기/배선 | 속도가 느려 파장이 짧아져 컴팩트한 장치 | 하나의 칩에 다수의 “튜닝 포크”를 구현 가능(확장 가능한 메모리) |
| 디코히런스 경로 | 복사 손실, 유전체/도체 손실 | 포논 산란, 재료 손실 | 설계된 밴드갭 및 디커플링으로 T1/T2 연장 |
모든 전자기 파동은 진공에서 빛의 속도로 이동하며 매질이 필요하지 않는다.
한편, 음향 파동은 소리 파동과 같은 기계 파동으로, 고체, 액체, 기체와 같은 매질의 입자를 진동, 압축, 팽창시켜 에너지를 전달한다. 이러한 파동은 주파수, 진폭, 파장과 같은 특성으로 구분된다. 음향 파동은 초저음 및 초음파를 포함한 다양한 주파수 범위를 포괄한다.
기계 진동은 전자기 파동과 달리 자유 공간에서 전파되지 않기 때문에 에너지가 시스템 밖으로 새어나가지 않으며, 매질 내에 더 강하게 제한될 수 있어 저장 시간이 연장되고 인접 장치 간의 원치 않는 에너지 교환을 완화한다.
이러한 이점은 다수의 튜닝 포크를 하나의 칩에 포함시켜 확장 가능한 양자 메모리 구현이 가능함을 시사한다.
Mirhosseini에 따르면, 이 연구는 음향 파동과 전자기 파동 간의 상호작용이 최소화되어 하이브리드 시스템을 메모리 요소로 활용하는 가치를 탐구하는 데 충분하다.
“이 플랫폼이 양자 컴퓨팅에 진정으로 유용하려면, 양자 데이터를 시스템에 넣고 훨씬 빠르게 꺼낼 수 있어야 한다. 이는 현재 시스템이 할 수 있는 수준보다 3배에서 10배 정도 상호작용 속도를 높여야 함을 의미한다.”라고 Mirhosseini가 말했다. 그리고 팀은 이를 달성하기 위한 아이디어를 가지고 있다.
양자 하드웨어 및 소프트웨어: 상용화로 가는 길
캘리포니아 공대 과학자들이 만든 새로운 장치는 이미 오랫동안 개발되어 왔다.
몇 년 전, 이전 연구에서 팀은 소리, 특히 포논이 광자와 마찬가지로 개별 진동 입자로서 양자 정보를 저장하는 쉬운 방법을 제공할 수 있음을 보여주었다.
당시 Mirhosseini 그룹은 실험실에서 새로운 방법을 보여주었으며, 이들은 이러한 기계 파동을 저장할 수 있는 작은 장치를 구축하는 것이 상대적으로 편리함 때문에 포논을 탐구했다.
팀은 초전도 큐비트와 결합하기에 적합해 보이는 장치를 실험했으며, 이들은 동일한 매우 높은 GHz 주파수에서 작동한다.
인간은 헤르츠에서 킬로헤르츠 범위(약 20 kHz까지)를 듣지만, 이 장치들은 기가헤르츠(초당 수십억 사이클)에서 작동하므로 주파수가 약 50,000배 더 높다.
테스트된 장치들은 또한 긴 수명을 가지고 있었으며, 초전도 큐비트와 양자 상태를 보존하기 위해 요구되는 저온에서도 좋은 성능을 보였다.
Mirhosseini가 당시 언급했듯이, 다른 연구들은 기계 에너지를 양자 응용 분야에서 전기 에너지로 변환하는 방법으로 특수한 재료인 압전 물질을 조사했다. 그는 다음과 같이 덧붙였다:
“하지만 이러한 재료는 전기 및 음파에 대한 에너지 손실을 일으키는 경향이 있으며, 손실은 양자 세계에서 큰 장애물이다.”
반면 캘리포니아 공대 팀이 개발한 새로운 기술은 특정 재료의 특성에 의존하지 않으며, 따라서 기존의 마이크로파 기반 양자 장치와 호환된다.
컴팩트한 크기의 효과적인 저장 장치를 구축하는 것도 양자 응용을 탐구하는 이들에게 또 다른 도전 과제이다.
이 도전은 새로운 방법으로도 해결되며, Mirhosseini 그룹의 대학원생인 Bozkurt는 “이 방법은 전기 회로에서 양자 정보를 다른 컴팩트 기계 장치보다 두 자릿수(100배) 이상 오래 저장할 수 있게 한다”고 말했다.
캘리포니아 공대의 음파 플랫폼은 유망하지만, 전 세계 여러 기관에서 진행 중인 훨씬 더 큰 연구 노력의 일부분에 불과하다. 과학자들은 양자 컴퓨터의 과제를 극복하기 위해 다양한 방법을 시험하고 있다.
예를 들어, 남가주 대학교 연구원들은 수학에 의존2했다.
그들은 토폴로지컬 큐비트의 일부 문제를 해결하기 위해 네그렉톤을 사용하고 있다. 이 이론적 입자 군은 간과된 이론 수학으로부터 도출된 방식 때문에 그렇게 명명되었으며, 보편적인 토폴로지컬 양자 컴퓨터를 실험적으로 구현하는 새로운 경로를 열 수 있다.
“내 목표는 비반단순 프레임워크가 단지 유효할 뿐만 아니라 양자 이론을 더 잘 이해하기 위한 흥미로운 접근법이라는 점을 다른 연구자들에게 가능한 한 설득력 있게 제시하는 것이다.”
– 공동 저자 Aaron Lauda
한편, 또 다른 접근법으로 과학자들은 양자점이 방출하는 빛을 제어하고 있으며, 이는 더 저렴하고 빠르며, 물론 더 실용적인 양자 기술을 이끌 수 있다.
연구 협력3은 자극된 두 광자 여기기에 의존하는 새로운 방법을 발견했으며, 이를 통해 전자 스위칭 하드웨어 없이도 양자점이 서로 다른 편광 상태의 광자 흐름을 방출하도록 한다. 테스트 결과, 연구원들은 뛰어난 두 광자 상태를 성공적으로 생성하면서도 눈에 띄는 단일 광자 특성을 유지할 수 있었다.
“이 접근법이 특히 우아한 이유는 단일 광자 방출 후의 비용이 많이 들고 손실을 유발하는 전자 부품에서 복잡성을 광학 여기 단계로 옮겼기 때문이며, 이는 양자점 소스를 실제 응용에 더 실용적으로 만드는 중요한 진전이다.”
– 수석 연구원 Vikas Remesh
그 다음은 일리노이 대학교 어배너-샴페인 캠퍼스 Grainger 공대 팀으로, 고성능 모듈식 설계4를 발표했으며, 이는 약 99% 충실도를 가진 초전도 양자 프로세서를 제공한다.
제한적인 단일체 설계와 달리 모듈식 아키텍처는 더 큰 확장성, 용이한 개선 및 불일치에 대한 회복력을 제공한다.
대부분의 노력이 여전히 양자 컴퓨터의 하드웨어에 집중하고 있지만, 사람들은 이 기술이 “상업적으로 실현 가능성에 가까워지고 있다”고 믿으며, 따라서 이를 활용할 유용한 소프트웨어가 필요하다는 인식이 확산되고 있다.
이에 대해 양자 알고리즘 기업 Phasecraft는 덴마크 제약 대기업 Novo Nordisk와 연계된 투자 회사를 포함한 여러 투자자로부터 3400만 달러를 모금했다. (NVO ).
Phasecraft의 알고리즘과 CEO Ashley Montanaro는 “다음 봄까지 과학적으로 중요한” 계산을 실행할 수 있을 것이며, 몇 년 내에 상업적으로 유용한 응용 프로그램도 제공될 수 있다고 믿는다.
알고리즘에 대한 관심이 증가하고 있다. 최근 구글 연구원은 Shor 알고리즘을 실행하는 데 필요한 양자 컴퓨터 규모를 20배 줄이는 방법을 고안했으며, 이는 오늘날 가장 널리 사용되는 암호를 해독하는 데 활용될 수 있다.
이에 대응하여 개발자 Hunter Beast는 비트코인(BTC)을 양자 컴퓨팅에 저항하도록 만들기 위해 BIP 360을 도입했다.
한편, 양자 컴퓨팅 기업 Norma는 NVIDIA CUDA-Q를 사용해 약물 개발을 위한 양자 AI 알고리즘의 성능을 검증했으며, 약 73배 빠른 계산 속도를 관찰했다.
양자 컴퓨팅에 투자하기
많은 대기업들이 초전도 양자 컴퓨팅 연구를 진행하고 있으며, 여기에는 IBM (IBM ), Intel (INTC ) 등이 포함된다. 하지만 오늘은 Honeywell International (HON )에 대해 살펴볼 것이다. 이 회사는 Quantinuum에 대한 대다수 지분을 통해 양자 컴퓨팅에 크게 관여하고 있다.
Quantinuum, A Honeywell International (HON ) Company
Quantinuum은 Cambridge Quantum과 Honeywell Quantum Solutions의 합병으로 2021년에 설립된 양자 컴퓨팅 기업이다. 내결함성 양자 컴퓨터 개발을 가속화하기 위해 JPMorgan Chase와 같은 투자자들로부터 자금을 확보했다.
지난 해, 이 회사는 기록상 가장 신뢰할 수 있는 논리 큐비트를 시연했다. Quantinuum은 마이크로소프트의 획기적인 큐비트 가상화 시스템을 적용해 오류 진단 및 교정을 수행했으며, 이온 트랩 하드웨어에서 14,000개 이상의 개별 실험을 오류 없이 실행했다.
지난 달, Quantinuum은 출시한 두 개의 새로운 오픈 소스 소프트웨어 구성 요소를 포함해 Guppy라는 파이썬 내에 호스팅되는 언어를 소개했으며, 이는 CEO Rajeeb Hazra가 “개발자를 위한 패러다임 전환”이라고 설명했고, Selene이라는 에뮬레이터는 프로그래머가 코드를 테스트하고 디버깅할 수 있도록 양자 행동을 모방하는 “디지털 트윈”이다.
새로운 풀스택 플랫폼은 Quantinuum의 차세대 양자 컴퓨터 Helios 출시를 앞두고 준비된 것이다.
따라서 이 회사는 AI, 사이버 보안, 화학 시뮬레이션 및 기타 응용 분야를 목표로 연구 및 상업 활동을 통해 양자 하드웨어와 소프트웨어 모두에서 진전을 추구하고 있다.
Quantinuum을 통해 Honeywell은 전자기적으로 트랩된 이온을 큐비트로 사용하여 높은 충실도의 계산을 제공하는 트랩 이온 양자 컴퓨터를 의료, 금융, 유틸리티 등 다양한 분야의 고객에게 제공했다.
통합 운영 회사는 주로 자동화, 항공, 에너지 전환이라는 세 가지 메가트렌드에 관여하고 있다. 한편, 몇몇 핵심 부문을 통해 서비스를 제공한다:
- 항공우주 기술
- 산업 자동화
- 건물 자동화 및 에너지
- 지속 가능성 솔루션
시가총액 1,393억 6천만 달러인 HON 주식은 현재 $218.40에 거래되고 있으며 연초 대비 2.83% 하락했다. EPS(TTM)는 8.79, P/E(TTM)는 24.96이며, 배당 수익률은 2.06%이다.
(HON )
재무 측면에서 Honeywell은 2025년 2분기 매출 104억 달러를 보고했으며, 주당 순이익은 $2.45, 조정 EPS는 $2.75였다.
이 기간 동안 회사는 13억 달러 규모의 PPE 사업 매각을 완료하고, 22억 달러 규모의 Sundyne 인수를 마감했으며, Johnson Matthey의 촉매 기술 사업을 18억 파운드에 인수한다고 발표했다. 또한 17억 달러 규모의 자사 주식을 재매입했다.
CEO Vimal Kapur는 예측 불가능한 거시경제 상황에도 불구하고 유기적 성장과 조정 EPS가 가이드를 초과하면서 “뛰어난 결과”를 제공하는 것의 중요성을 강조했다.
“건물 자동화가 선두를 달리면서, 네 개 부문 중 세 개는 분기 매출이 5% 이상 성장했으며, 이는 비즈니스 환경이 변하더라도 빠르게 적응하고 성장을 촉진하는 Accelerator 운영 시스템의 힘을 보여준다.”라고 Kapur는 말하면서 “신제품 혁신에 대한 집중이 증가한 결과가 유망하며, 이는 기록적인 주문량 증가에도 기여했다”고 덧붙였다.
결론
양자 컴퓨팅은 AI, 의료, 재료 과학, 사이버 보안 및 기타 산업에서 중요한 발전을 이끌 수 있다. 그러나 이 기술의 진보는 큐비트 성능뿐 아니라 양자 정보를 신뢰성 있게 저장하는 능력에도 달려 있다.
캘리포니아 공대 플랫폼은 이를 달성하기 위한 방안을 제시한다. 계산과 메모리를 하나의 칩에 통합함으로써, 새로운 개발은 이 분야를 실제 응용에 한 걸음 더 가까이 옮기고 있다.
여기에서 최고의 양자 컴퓨팅 기업 5개 목록을 확인하세요.
참고 문헌:
1. Bozkurt, A. B., Golami, O., Yu, Y., Tian, H., & Mirhosseini, M. (2025). A mechanical quantum memory for microwave photons. Nature Physics, (advance online publication), published 13 2025년 8월. Received 10 2025년 1월; accepted 17 2025년 6월. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
2. Iulianelli, F., Kim, S., Sussan, J., et al. Universal quantum computation using Ising anyons from a non-semisimple topological quantum field theory. Nature Communications, 16, 6408, published 05 2025년 8월. Received 13 2024년 10월; accepted 18 2025년 6월. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
3. Karli, Y., Avila Arenas, I., Schimpf, C., et al. Passive demultiplexed two-photon state generation from a quantum dot. npj Quantum Information, 11, 139, published 11 2025년 8월. Received 10 2025년 4월; accepted 25 2025년 7월. https://doi.org/10.1038/s41534-025-01083-0
4. Mollenhauer, M., Irfan, A., Cao, X., et al. A high-efficiency elementary network of interchangeable superconducting qubit devices. Nature Electronics, 8, 610–619, published 27 2025년 6월 (issue date 2025년 7월). Received 08 2024년 9월; accepted 23 2025년 5월. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01404-3
