마이크로소프트·아톰 컴퓨팅, 양자 컴퓨팅 진전 발표
진행 보고서
우리가 다룬 몇몇 양자 컴퓨팅 기업들은 최근에 진행 상황을 업데이트했습니다.
수십 개의 기업, 작은 스타트업부터 기술 대기업까지가 양자 컴퓨팅을 추구하고 있기 때문에, 유용성을 찾기 위한 결과가 꾸준히 나오고 있습니다. 우리는 보통 새로운 기술과 주요 이정표에 초점을 맞추는데, 이는 큰 성공이 결국 많은 점진적 진보 위에 세워진다는 사실을 가릴 수 있습니다.
지난 몇 주 동안 두 기업이 일반적인 사용에 더 가까워지기 위해 어떻게 기술을 발전시키고 있는지에 대한 진행 보고서를 발표했습니다. 이들 중 어느 것도 획기적인 돌파구는 아니지만, 기술이 진전되기 위해서는 모두 절대적으로 필요합니다. 여기서는 유용한 무언가에 한 걸음 더 다가가기 위해 필요한 고된 작업을 전달하고자 합니다.
마이크로소프트와 물질‑과학 큐비트
마이크로소프트는 위상 큐비트를 추구하는 몇 안 되는 기업 중 하나이며, 이는 입자가 매우 작은 차원에 제한될 때 나타나는 이색적인 물리 현상에 의존합니다. 그들의 접근 방식은 반도체 위에 얇은 초전도 와이어를 올려놓는 것입니다.
- 초전도성 – 초전도체에서는 전자가 쿠퍼 쌍으로 짝을 이룹니다.
- 홀수 전자 와이어 – 와이어에 홀수 개의 전도 전자(즉, 짝을 이루지 않은 단일 전자)가 포함되면, 그 전자는 와이어 양쪽 끝에 걸쳐 비국소화되어 위상 효과의 특징이 됩니다.
이론에서 실험으로
이론적 연구는 이러한 행동을 예측했지만, 실험적 확인은 어려웠습니다:
- 초기 결과는 철회되었습니다(자세히 보기: Nature link).
- 초기 장치는 매우 잡음이 많아 효과의 견고성에 대한 회의론을 낳았습니다.
- 좌절에도 불구하고 마이크로소프트는 나노와이어 쌍으로 큐비트를 만들기 위한 로드맵을 발표했습니다(Ars Technica link).
최근 하드웨어 업데이트
이번 주 마이크로소프트는 큐비트에 사용되는 물질을 바꾸어 성능을 크게 향상시켰다고 발표했습니다:
| 구성 요소 | 기존 물질 | 새로운 물질 | 영향 |
|---|---|---|---|
| 초전도 와이어 | 알루미늄 | 납 | 잡음 감소, 패리티 수명 연장 |
| 반도체 | 표준 조성 | 주석‑도핑 | 납과의 스핀‑오비트 결합 강화 |
패리티 측정
- 장치는 두 개의 평행 와이어로 구성됩니다.
- 패리티(두 와이어 모두 전자를 하나씩 가지고 있거나, 둘 다 없거나, 혼합 상태)는 양자점을 통해 읽어냅니다.
- 기존 시스템: 패리티가 ≤ 10 ms마다 자발적으로 뒤바뀌었습니다.
- 새 시스템: 패리티가 최대 20 초까지 안정적으로 유지될 수 있어, 위상 큐비트의 핵심 약속을 크게 개선한 것입니다.
전망
하드웨어 진전은 고무적이지만, 아직 남은 이정표가 몇 가지 있습니다:
- 제어된 패리티 조작 – 개별 큐비트와 큐비트 쌍에 대한 게이트 연산을 시연.
- 확장 가능한 연결성 – 오류‑수정 연산을 위한 다수의 큐비트를 연결하는 방법 개발.
- 동료 검토 검증 – 이 결과를 보고한 원고가 엄격한 검토를 통과해야 함.
이 결과가 검증된다면, 마이크로소프트의 물질‑과학 베팅은 미래 위상 양자 컴퓨터를 위한 견고한 기반이 될 수 있습니다.
어느 원자든 상관없다
Atom Computing은 마이크로소프트의 경쟁자이자 파트너이며, 그 하드웨어는 마이크로소프트 Azure Quantum 클라우드 서비스를 통해 접근할 수 있습니다. 두 회사는 또한 함께 작업하여 Atom의 하드웨어에서 오류 수정을 수행하는 데 필요한 소프트웨어와 프로토콜을 개발했습니다.
이는 전통적인 의미의 “하드웨어”는 아닙니다. 대부분의 고체 물질은 레이저와 광 가이드로 구성되고, 연산은 레이저 빔 배열에 의해 부양된 원자의 핵 스핀을 이용해 수행됩니다. 그래도 Atom은 저장 영역, 연산 구역, 그리고 하나가 손실될 경우 교체할 수 있는 백업 원자들의 집합을 갖는 일종의 아키텍처를 개발 중입니다. 광학 트위저라 불리는 레이저 구성으로 원자들을 이러한 위치 사이에 이동시킵니다.
새로운 원고에서 이 회사는 예비 원자들을 보유하는 것이 얼마나 필수적인지 보여줍니다. 상태를 유지하고 트랩에 가두기 위해서는 레이저를 사용해 원자를 냉각해야 하는데, 연산 중에 원자는 열이 올라가게 됩니다. 냉각은 느린 과정이지만, 이를 하지 않으면 뜨거워진 원자가 격자 내 레이저 트랩을 뛰쳐나와 오류를 일으킵니다.
그래서 Atom은 일종의 역설에 직면했습니다: 오류 수정을 위해 연산을 해야 하지만, 그 연산이 오류를 더 많이 만들었습니다.
해결책은 예비, 미리 냉각된 원자를 논리 큐비트에 교체하면서 오류 수정을 위한 측정을 수행하는 것이었습니다. 논리 큐비트(데이터 저장 및 오류 검출 큐비트들의 연결된 집합)의 상태를 반복적으로 측정한 테스트에서 큰 차이가 나타났습니다:
- 냉각된 원자를 교체하지 않고 오류 수정을 수행하면, 측정이 진행될수록 오류 확률이 증가했습니다.
- 교체를 수행하면 오류 확률이 시간에 따라 거의 일정하게 유지되었습니다.
이는 오류‑수정된 큐비트가 완전히 안정적이라는 뜻은 아닙니다. 결국, 너무 많은 개별 원자가 동시에 상태를 바꾸어 회복할 수 없는 오류가 발생했습니다. 하지만 일반적인 오류 수정을 통해 일부 논리 큐비트는 최대 90 라운드까지 안정적으로 유지될 수 있었습니다.
다시 말해, 이는 아직 복잡한 계산을 수행하기엔 충분하지 않지만, 이전보다 훨씬 가까워진 상태입니다.
정정: 이 보고서의 초기 버전에는 기밀 정보가 실수로 포함되었습니다.
저자 소개
John Timmer는 Ars Technica의 과학 편집자입니다. 그는 콜럼비아 대학교에서 생화학 학사 학위를, 캘리포니아 대학교 버클리에서 분자·세포 생물학 박사 학위를 받았습니다. 키보드에서 떨어져 있을 때는 자전거를 타거나 등산 부츠를 신고 풍경 좋은 곳을 찾는 편입니다.
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