물리학자들이 거대한 규모의 양자 컴퓨터 건설 계획을 수립했다고 BBC가 3일 보도했다
종전 컴퓨터로는 가장 뛰어난 성능의 제품으로도 풀 수 없는 문제를 푸는 양자역학의 세계를 열 계획이다. 엄청 빠른 양자컴퓨터는 컴퓨팅을 혁명적으로 바꿀 것으로 예상된다.
하지만 거대한 규모의 양자 컴퓨터를 만드는 것은 아직 실험실 수준에 갇혀 있었다. 그런데, 과학자들이 모듈러 디자인에 근거한 새로운 양자컴퓨터 건설에 대한 청사진을 과학저널인 사이언스 어드밴시스에 발표했다.
종전의 컴퓨터는 0과 1의 값을 갖는 비트(bit)로 불리는 단위로 계산한다. 하지만 양자 시스템에서는 0과 1의 값을 동시에 갖는 큐비트(quantum bit)라는 단위로 계산한다. 큐비트를 이용해서 복잡한 계산을 동시에 할수 있다. 하지만 큐비트는 얽힘이라고 불리는 양자 효과를 이용해 동기화 해야 한다. 알버트 아인슈타인은 이를 ‘유령 같은 원격작용(spooky action at a distance)’이라고 불렀다.
하지만 과학자들은 10이나 15큐비트 보다 큰 양자 컴퓨터를 만드는데 어려움을 겪어 왔다. 큐비트가 그들의 모호성을 상실하고 단순히 1이나 0이 되는 결깨짐 현상(Decoherence)으로 인해 드롭 아웃 현상이 발생했기 때문이다. 결깨짐 현상으로 결맞음이 완전히 없어지면 양자 정보 처리에 사용할 수 없게 된다. 영국 서식스 대학의 윈프리드 헨싱어 교수는 “우리가 제안한 개념에는 이로 인한 에러를 교정하는 방법이 있어 거대한 규모의 장치를 만들 가능성을 열었다”라고 말했다.
서섹스 대학 교수가 구글의 과학자들과, 덴마크의 오르후스 대학교, 일본이 이화학연구소, 독일 지겐 대학교 연구진을 이뤄진 국제 협력팀을 이끌었다.
헨싱어 교수는 “최초의 컴퓨터가 만들어진 때를 생상해 보라. 그들은 수십비트로 출발했다. 양자 컴퓨팅이 서 있는 현재 위치가 바로 이렇다”고 말했다. 그는 또 “예를 들어 신약을 개발하거나, 우주를 이해하거나, 새로운 물질을 디자인하는데 지금은 10~15 큐비트의 양자컴퓨터를 사용하는데, 나는 궁극적으로 100억 큐비트 짜리 양자 컴퓨터를 만들기를 원한다”고 말했다.
연구진들은 현존하는 기술만을 사용하면 어떻게 거대한 규모이 양자 컴퓨터를 만들수 있을까라는 질문에서 출발한다. 그들의 최신 작품에서 답을 찾았다.
다양한 응용과학을 이용해 범용 양자컴퓨터를 만드는 청사진을 제시한다. 방법은 하전된 원자(이온)를 활용하는 것이다. 이를 덫에 가둬 큐비트로 활용한다. 이 접근법을 활용하면 컴퓨터를 실온에서 작동하게 할 수 있다. 지금 사용하는 양자컴퓨터는 모든 시스템이 매우 낮은 온도를 유지하는 초전도체 장치를 사용한다.
논리 게이트는 블록 쌓기처럼 회로를 구성한다. 그리고 양자컴퓨터에서 연산을 수행하는 역학을 한다. 이를 위해서는 레이저를 사용해, 각각의 이온에 일치 시켜야 한다. 많은 큐비트를 다뤄야 하는데 레이저를 이온에 일치시키는 일은 매우 힘든 도전이 될 것이다. 맨 마지막으로 게이트 시스템이 작동하도록 전자파나 전압을 걸어주면 된다. 여기에 다른 모듈러 디자인은 개별적인 컴퓨터 모듈을 광섬유로 연결시키고 양자 정보를 암호화하도록 한다.
헨싱어 교수는 “하지만, 이번 해결책은 과학자들이 좋아하는 것보다 더 느리고 복잡하다. 그래서 그들은 전기장을 활용해 이온을 하나의 모듈에서 다른 모듈로 이동시키는 방법을 지지한다”고 말했다. 그는 이어 “모듈러 디자인은 양자 컴퓨터가 실제로 경이로운 처리 능력을 실현하기 위해 매우 중요하다”고 말했다.
다음 단계로 이 디자인에 맞춰 서섹스 대학에 양자 컴퓨터 프로토타입(원형)을 만들 계획이다. 이를 만들기 위해서는 100만~200만 파운드(14억~28억원)가 들어간다. 반면, 실제 환경에서 쓰는 컴퓨터를 제작하는데는 수천억 파운드(수백억원)가 들어갈 것으로 전망된다.
현재 실제 사용되는 거대한 규모의 양자 컴퓨터를 만드는 시도가 여러 건 있다.
캐나다 브리티시컬럼비아 주 버너비에 본사를 둔 D-웨이드는 최근 2,000 큐비트짜리 양자 컴퓨터를 출시했다. D-웨이브는 미 항공우주국(NASA)과 구글, 방산업체인 록히드 마틴 같은 오랜 고객에 이어 최근에 4번째로 마국의 사이버 보안 회사인 템포럴 방위 시스템을 고객으로 확보했다. 하지만 D-웨이브의 양자컴퓨터가 기존 컴퓨터를 넘어서는 능력을 갖추고 있는지에 대한 의문이 제기되고 있다.
구글은 초전도체를 채용한 기기를 연구하고 있으며, 마이크로소프트는 위상 양자 컴퓨팅을 탐험하고 있다. 이온큐 같은 스타트업은 헨싱어 교수와 그의 동료들이 제안한 갇힌 이온을 이용한 양자 컴퓨터 연구에 초점을 맞추고 있다. /문병도기자 do@sedaily.com
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