"보편적인 양자컴퓨터를 만들기 위해 해결해야 할 가장 큰 문제는 '오류(에러)'를 극복하는 것입니다. 중성원자 배열을 기반으로 수백개의 큐비트를 제어할 수 있는 기술을 통해 오류를 줄이고, 훨씬 더 많은 큐비트를 사용하는 대규모 양자컴퓨터로 나아가는 길이 가속화 될 것이라고 기대합니다."

양자컴퓨팅·양자인터넷 분야의 세계적 석학인 미카일 루킨 하버드대학교 교수는 25일 '퀀텀 코리아 2024'에서 진행된 특별 강연에서 양자컴퓨터의 미래에 대해 이같이 설명했다.

루킨 교수는 기존 초전도 방식의 양자컴퓨터를 넘어 중성원자를 기반으로 한 새로운 양자컴퓨팅 기술 개발을 선도하고 있다. 이날 특강 또한 '양자 컴퓨팅의 새로운 지평'을 주제로 진행됐다. 루킨 교수는 지난해 논리큐비트 48개로 구성된 중성원자 기반 양자컴퓨터를 선보인 바 있다.

일반적인 컴퓨터가 데이터를 0과 1로 표현하는 '비트'를 사용한다면, 양자컴퓨터는 '큐비트'를 기본 단위로 활용한다. 큐비트는 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있는 양자 중첩 상태를 갖게 돼 일반 컴퓨터보다 훨씬 빠른 계산을 가능하게 한다.

현재 가장 널리 사용되고 있는 양자컴퓨터는 초전도 기술을 기반으로 큐비트를 만들어낸다. 극저온에서 전류를 특정 패턴으로 흐르게 해 큐비트를 형성하는 식이다. 전류로 큐비트가 형성되는 만큼 외부 전기장에 민감하다는 특성을 가진다.

하지만 루킨 교수의 중성원자 기반 양자컴퓨터는 레이저 빔을 사용해 냉각된 중성원자를 '트랩(Trap)'에 가둬 큐비트를 생성하게 된다. '트랩에 가둔다'는 표현은 레이저로 원자를 특정 위치에 배열 시켜 원자의 상태를 제어한다는 것을 의미한다. 이 또한 낮은 온도가 필요하지만 초전도 기반 기술만큼 절대영도에 가까운 극저온 환경을 요구하지는 않는다.

이같은 중성원자 기반 양자컴퓨터는 큐비트를 2D나 3D로 배열해 쉽게 확장해나갈 수 있다. 기존 방식보다 더 큰 규모의 양자컴퓨터를 구현하기에 유리한 셈이다.

중성원자 기반 양자컴퓨터의 또다른 핵심은 '논리 큐비트'다. 논리 큐비트는 다수의 물리적 큐비트를 결합시켜 생성되는데, 오류를 보정하는 역할을 하게 된다.

초전도 방식과 같은 현재의 양자컴퓨터로는 최대 수백개의 큐비트를 활용해 작업을 수행할 수 있다. 문제는 매 작업마다 오류 확률이 조금씩 있다는 것이다. 한두번의 작업에서는 문제가 없을 수 있지만 작업이 수백~수천번, 나아가 수억번씩 반복하게 되면 작업 산출물에 미치는 오류의 영향이 급격하게 커지게 된다. 아무리 유용한 알고리즘이 있다해도 이같은 미세 오류가 수억번에 걸쳐 반복되면 산업적으로 상용화하기 어려울 것이라는게 루킨 교수의 설명이다.

루킨 교수는 중성원자 기반의 양자컴퓨팅 기술을 통해 '양자 오류 보정'이 가능할 것이라고 강조했다. 한 큐비트의 상태가 다른 큐비트에도 영향을 주는 '양자 얽힘' 현상을 레이저를 통해 인위적으로 구현하고, 이를 통해 양자 정보를 여러개의 큐비트에 비국소적으로 저장시켜 오류를 보정한다는 설명이다. 이렇게 양자 정보가 저장된 다수의 큐비트가 바로 논리큐비트다.

이처럼 기존의 양자컴퓨터와 달리 작업 과정에서의 오류를 해소해주는 중성원자 기반 양자컴퓨터는 낮은 에러율은 물론, 안정성·확장성·응용성 등에서 모두 우위를 보일 것으로 기대되고 있다. 전기적으로 중성을 띄는 중성원자를 활용하는 만큼 큐비트가 외부 전기장에 덜 민감하고, 레이저 빔으로 원자를 개별 제어해 큐비트를 확장하기도 더 용이하다.

루킨 교수는 앞으로도 중성원자 기반 양자컴퓨팅 기술을 지속 개발하면 향후 1만개 이상의 중성원자가 담긴 양자컴퓨팅 시스템을 구축할 수 있을 것이라고 전망했다. 이를 통해 양자컴퓨터의 성능을 비롯해 제어 기능, 작업 충실도 등도 더 개선할 수 있을 것이라는 기대다.

루킨 교수는 "중성원자 기반 양자컴퓨터로 알고리즘이나 오류 보정 측면에서 많은 개선이 있을 것이라고 생각한다. 물리적으로도 수천개 이상 대형 큐비트에 이를 때까지 확장할 수 있을 것이라고 본다"며 "지금 양자 오류 보정 기술은 아주 흥미로운 단계에 있다. 앞으로도 이런 기술을 더 탐구해나가면 가까운 미래에 대규모 양자컴퓨터로 나아가는 기술이 더 가속화되지 않을까 생각한다"고 말했다.

한편 현재까지 실물로 공개된 양자컴퓨터는 약 1000개가 넘는 큐비트가 넘는 것으로 알려졌다. 지난해 12월 IBM이 공개한 양자컴퓨터용 칩 '콘도르'가 대표적이다. 하지만 콘도르 또한 연산 수행 능력은 뛰어나지만 관측 순간 붕괴되는 양자의 특성 등으로 인해 오류 발생, 데이터 변질 등의 단점이 존재한다. 루킨 교수의 새로운 양자컴퓨팅 기술이 더 빠르면서 정확한 양자컴퓨터 시대를 열어젖히게 될 지 주목된다.

▷ 원문보기 : https://www.newsis.com/view/NISX20240625_0002786408