일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2022.8.4

양자 컴퓨터의 새로운 개발 방식
반도체 제조 기술로 반격하는 일본

신재료 및 신약 개발 연구 등으로의 응용이 기대되는 양자컴퓨터 분야에서 새로운 방식의 개발이 가속화되고 있다. 양자 계산에 사용하는 기본 소자를 반도체 기술로 만드는 연구에서 일본은 세계 정상급 실력을 가지고 있다.

이것은 초전도나 이온(전하를 띤 원자)을 사용하는 다른 방식과 비교해 소형화 및 집적화하기 쉬우며 복잡하고 어려운 연산에도 응용할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 양자 기술에서 미국과 유럽에뒤처져 있는 일본이지만, 강점인 반도체 제조 기술을 활용해 반격을 도모하고 있다.

양자컴퓨터에 반도체 집적화 기술을 응용하는 실리콘 방식은 미래의 유망 기술로 기대를 모으고 있다. 복잡한 연산에 사용할 수 있는 게이트형 양자컴퓨터에는 현재 주류인 ‘초전도 방식’이나 ‘이온 트랩 방식’ 등 다양한 방식이 있으며, 각각 실용화를 위한 개발이 추진되고 있다.

실리콘 방식은 양자 계산을 담당하는 '큐비트' 제어가 어려운 반면, 한번 기술이 확립되면 반도체처럼 다수의 소자를 칩에 집적화할 수 있어 대규모의 실용적 연산에 이용할 수 있다. 

큰 규모의 큐비트를 가진 양자컴퓨터는 일반적인 컴퓨터로는 풀기 어려운 복잡한 연산을 고속으로 처리할 수 있다. 소재 분야나 신약 개발 분야에서의 화학합성, 금융보험 분야의 리스크 관리, 보안 분야에서의 암호해석 등에 응용할 수 있을 것으로 예측되고 있다.

하지만 큐비트를 늘리고, 이를 정확히 제어하기 어렵기 때문에 아직 어떤 방식도 연구의 영역을 벗어나지 못하고 있는 실정이다. 큐비트는 노이즈나 오차로 인한 에러(양자 오류)의 영향을 받기 쉬워 노이즈나 오류를 줄일 수 있는 구조에 대한 검토가 중요한 테마로 떠오르고 있다. 일본의 산업기술종합연구소와 이화학연구소는 실리콘 큐비트로 노이즈나 양자 오류를 줄이는 기술을 개발하고 있다.

소규모 큐비트 개발에서는 “이화학연구소가 세계적으로도 탑클래스를 달리고 있다”(국내 대학 교수)라고 평가되고 있어, 향후 일본이 기본 구조의 확립에 기여하게 될 것으로 보인다.

-- ‘실리콘 큐비트’ 개발 가속, 산업기술종합연구소와 이화학연구소가 성과 --
일찍부터 실리콘 큐비트 개발 실적을 가지고 있는 산업기술종합연구소는 기본 구조의 시작(試作) 및 시뮬레이션 기술 개발에서 높은 경쟁력을 가지고 있다. 2021년에는 반도체 제조 기술을 응용해 FinFET 구조를 채택한 실리콘 큐비트를 일본 최초로 제작했으며, 세계 최초로 편차를 고려한 집적 구조를 설계했다.

산업기술종합연구소는 실리콘 큐비트 등 차세대 디바이스를 시작할 수 있는 시작 공용 라인 ‘코로모델(COLOMODE)’을 이바라키(茨城) 현 쓰쿠바 시의 거점 내에 설치, 올 7월에 외부 조직과 공동 연구할 수 있는 체제를 정비했다.

실리콘 큐비트는 나노미터(nm) 수준의 미세한 소자를 균등하게 형성하는 기술 및 노이즈를 억제하는 설계 기술이 요구된다. 아날로그 반도체를 만드는 것과 마찬가지로 재료나 제조 노하우가 승패를 결정한다.

산업기술종합연구소 디바이스기술연구부문의 모리(森) 상급주임연구원은 “이것은 일본이 강점을 발휘할 수 있는 영역으로, 전세계 기업 및 연구기관 모두 아직 스타트 지점에 서있는 상태이다”라고 말한다.

미세한 회로를 형성할 수 있는 'EUV(극단자외선) 노광장치'의 등장 등, 반도체 분야의 기술 진화도 훈풍으로 작용하고 있다. 10nm 정도의 작은 영역(퀀텀닷)을 형성하고, 거기에 가둔 전자를 이용해 계산하는 구조이다. 인텔은 기존의 반도체 제조 라인을 사용해 큐비트를 개발하고 있다고 한다.

이화학연구소는 실리콘 큐비트를 제어해 오류를 정정하는 실험을 하고 있다. 양자기능시스템 연구그룹의 다루차(樽茶) 그룹디렉터와 다케다(武田) 연구원은 8월, 현재 큐비트로 오류 정정할 수 있는 기술을 개발하고 있다. 연구에서는 반도체의 미세가공 기술을 사용해 실리콘 상에 3개의 전자를 가두는 큐비트를 개발하고 있다. 이 기술이 실현되면 복수의 큐비트를 제어하여 정확한 연산에 이용할 수 있게 된다.

다루차 그룹디렉터는 앞으로 큐비트 수를 늘려나갈 계획으로, 3~5년 이내에 100큐비트까지 늘리고 8~10년 안에 1,000 큐비트 실현을 목표로 하고 있다. 큐비트 수를 어느 정도까지 늘릴 수 있게 된다면 각각의 유닛을 연계시켜 다양한 용도로 사용할 수 있는 양자컴퓨터를 구현할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

-- 히타치, 미래의 양자컴퓨터를 내다본 ‘톱 다운 방식' 개발’ --
한편, 히타치제작소는 먼저 다수의 퀀텀닷 및 주변 회로를 제작해, 미래의 양자컴퓨터 설계를 이른 단계부터 검토하는 ‘톱 다운 방식’ 연구를 추진하고 있다. 히타치는 2021년 9월에 128개의 퀀텀닷을 가진 디바이스를 제작해 제조 기술과 디지털 제어, 알고리즘 등을 검토하고 있다.

게이트형 양자컴퓨터 개발에서는 퀀텀닷 어레이, 제어회로, 판독회로와 같은 하드웨어 개발뿐만 아니라, 그것을 제어해 가동시키는 알고리즘과 시스템 등 폭넓은 기술이 필요하다. 톱 다운 방식은 이러한 요소들을 조사하고 문제를 선행적으로 해결해나가는 방식이다.

히타치에서 양자컴퓨터 개발에 종사하고 있는 미즈노(水野) 연구개발그룹 기초연구센터 주관연구장은 일반적인 고전컴퓨터가 진공관에서 CMOS 트랜지스터 채택으로 진화가 가속화된 것을 예로 들며, “실리콘 양자컴퓨터에서도 집적화 등으로 한번에 기술이 발전할 가능성이 있다”라고 말한다.

미즈노 주관연구장은 내각부 프로젝트인 ‘문샷형 연구개발 사업’에서 대규모 집적 실리콘 양자컴퓨터 개발 프로젝트도 총괄하고 있다. 복잡한 연산에 사용할 수 있는 범용 양자컴퓨터 개발에는 앞으로 30년 정도 걸린다고 알려져 있지만, 미즈노 주관연구장은 “(노이즈 등) 오류가 있어도 중간 규모의 양자컴퓨터를 잘 사용할 수 있는 방법이 있을지도 모른다. 좀더 가까이에 가치 있는 목표가 있지 않는지 논의를 거듭하고 있다”라고 말한다.

-- 해외 기업들도 본격적으로 참여, 일본은 산업의 저변을 활용해야 --
실리콘 양자컴퓨터 연구개발에는 각국의 반도체 관련 기업 등도 주력하고 있다. 인텔은 반도체의 FinFET 프로세스를 응용한 퀀텀닷 어레이를 시작(試作), 이외에도 네덜란드의 델프트공과대학과 개발 얼라이언스를 체결해 10년 간 100억엔을 투자한다고 발표했다.

초전도 방식에 강점을 가진 미국의 IBM도 실리콘 방식의 연구를 추진하고 있다. 벨기에의 연구기관 imec와 프랑스의 CEA-Leti(프랑스 원자력·대체에너지청 전자정보기술연구소)는 기존 반도체 기술을 응용한 큐비트 개발을 추진하고 있다. 호주에서는 양자계산통신기술연구센터(CQC2T) 등이 양자컴퓨터 연구개발을 추진하고 있다.

미국에서는 양자 관련 스타트업기업들이 잇따라 창업하고 있으며, 벤처캐피털 등으로부터 수 백억엔 규모의 자금을 조달한 사례도 나오고 있다. 일본은 복수의 국가 프로젝트를 실시하고 있지만, 차원이 다른 자금력을 가진 해외 기업들에 비해 지속성에 불안이 남는다.

실리콘 양자컴퓨터에서는 일본이 지금까지 쌓아온 반도체 관련 기술력을 활용할 수 있을 것으로 예상되며, 산업계를 어떻게 끌어 들일지가 승부의 관건이 될 것으로 보인다. 비즈니스 응용을 상정한 전략적인 로드맵을 그릴 수 있을지가 일본 양자컴퓨터의 미래를 결정지을 것으로 보인다.

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