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Nikkei X-TECH_2022.10.4

제3의 양자컴퓨터 ‘냉각원자형’ 기술
2030년 사업화를 목표

양자컴퓨터의 성능 향상으로 이어지는 기술 개발이 추진되고 있다. 분자과학연구소(아이치 현) 오모리(大森) 교수 연구팀은 제3의 양자컴퓨터로 주목받고 있는 냉각원자형에서 소음의 영향을 억제하는 기술을 확립했다. 일본은 냉각원자형에서 레이저 기술을 강점으로 앞서고 있다. 오모리 교수 연구팀은 2030년의 사업화를 목표로 한다.

오모리씨 교수팀은 냉각원자형에서 세계에서 가장 빠른 2양자비트 게이트(기본 연산 요소) 조작을 실현했다. 오랜 과제였던 노이즈의 영향을 잘 받지 않는 양자컴퓨터 개발로 이어지는 기술이라고 한다. 연구팀이 개발한 냉각원자형 양자컴퓨터는 극저온으로 냉각한 2개의 원자를 마이크로미터(µm) 수준에 근접시켜 특수한 레이저를 조사(照射)해 조작하는 것이다.

10피코초(1000억분의 1초) 동안만 빛이 나는 초고속 펄스 레이저를 사용함으로써 6.5나노초로 동작하는 세계에서 가장 빠른 2양자비트 게이트(제어 게이트)를 실현할 수 있었다. 이것은 노이즈의 시간 스케일보다 두 자릿수 이상 빠르기 때문에 노이즈의 영향을 거의 무시할 수 있다는 것이 특징이다.

“지금까지는 구글이 2020년에 초전도 방식으로 실현한 15나노초의 게이트 시간이 최고 속도”(분자과학연구소)였기 때문에 큰 폭으로 단축된 것이다. 현재 세계적으로 다양한 양자컴퓨터 연구개발이 진행되고 있지만, 노이즈 등에 기인하는 '양자 오류'가 생기기 쉬워 정확한 계산을 할 수 없다는 공통된 과제가 있다.

이번 성과는 미래에 계산 정밀도가 높은 양자컴퓨터 실현에 도움이 될 전망이다. 개발에서 앞서 있는 초전도 방식이나 이온 트랩 방식의 한계를 돌파할 수 있을 것으로 많은 투자자들도 주목하고 있다.

-- 독자적인 레이저 기술로 차별화, 해외 대학과의 제휴도 연구에 기여 --
냉각원자형 양자컴퓨터에서는 미국과 프랑스의 기업 및 대학들이 연구개발에 주력하고 있다. 그 중에서도 오모리 교수팀의 기술은 400큐비트라고 하는 세계 최대 수준의 비트수와 짧은 게이트 시간 등의 점에서 뛰어나다. 최대 차별화 요인은 바로 독자적인 레이저 제어 기술이다.

오모리 교수팀의 방법은 10피코초 동안만 빛이 나는 밴드폭(주파수 대역)이 넓은 펄스 레이저를 사용함으로써 게이트 시간을 고속화했다. 오모리 교수는 자신이 20년 이상에 걸쳐 레이저 기술의 연구를 해 온 지식을 활용함으로써 “세계적으로도 처음이며 다른 곳에는 없는 기술”(오모리 교수)을 실현할 수 있었다고 강조한다.

다른 경쟁사들은 연속 발진형의 통상적인 레이저광을 사용하고 있으며 밴드 폭도 좁기 때문에 양자 게이트의 고속화가 어렵다고 한다.

오모리 교수는 “오랜 세월 냉각 원자만을 연구해 온 기술자의 입장에서는 초고속 레이저가 도움이 된다는 사실을 깨닫지 못했을 것이다”라고 분석한다. 레이저 기술이라고 하는 ‘타 분야’의 지식이 냉각원자형 양자컴퓨터의 진화에 기여한 것이라고 할 수 있다.

해외 대학과의 협력관계도 이번 양자컴퓨터 연구에 크게 기여했다. 2012년, 독일에서 오모리 교수의 고속 레이저광 응용기술이 훔볼트상을 받은 이후, 오모리 교수와 유럽 대학과의 활발한 교류가 이어지고 있다. 오모리 연구실 조교인 레제르크 씨도 이 시기의 교류가 계기가 되어 오모리 교수 연구팀에 합류하게 되었다.

차세대 기술로 꼽히고 있는 양자컴퓨터는 국제 경쟁이 치열한 분야이기도 하다. 오모리 교수는 “인터넷만으로는 새로운 정보를 얻을 수 없다. 실제로 해외에 가서 최첨단 정보를 수집해야 할 필요가 있지만, 그것을 할 수 있는 인재가 일본에는 너무 적다”라고 말한다. 세계의 연구개발 동향을 올바르게 파악하는 것의 중요성은 점점 높아지고 있는 것이다.

양자컴퓨터의 개발에서는 투자력이 있는 구미나 중국이 높은 경쟁력을 가지고 있다. 자금력이 한정되어 있는 일본은 다른 사람이 흉내낼 수 없는 독자적인 기술을 개발해 핵심 역량(강점 분야)을 넓혀나가야 한다.

-- 조기 사업화에 기대 --
냉각원자형 양자컴퓨터는 역사가 짧아 기술개발의 여지도 크다. 오모리 교수도 “몇 년 안에 1,000양자비트까지 확대가 가능. 미래에는 1만 양자 비트까지 늘릴 수 있을 것이다”라고 전망한다. 한 층 더 성능을 향상시키기 위해서는 초고속 레이저의 출력 안정성이 필수이다.

현재는 원자를 평면상에 나열해 제어하고 있지만, 수 천~수 만 개의 원자를 나열할 경우 면적이 너무 커지기 때문에 배치나 장치에 대한 연구도 필수이다. 이를 위해서는 장치의 소형화에 강한 제조사와의 연대가 필요하다. 냉각원자 방식은 초전도 방식 등 다른 방식과 비교해 새로운 기술이며, 오류 정정 등 냉각원자형 방식에 대응한 알고리즘 개발도 필요하다.

냉각원자형 양자컴퓨터는 적은 노이즈와 집적화가 용이하다는 특성 때문에 다양한 용도로의 적용이 기대되고 있다. 실제로 오모리 교수팀과 협업하는 미국의 콜드쿠안타(ColdQuanta)는 “이미 클라우드 서비스 제공이 가능한 상황이다”(오모리 교수).

오모리 교수의 연구는 내각부의 ‘문샷형 연구개발 제도’에 채택되어 있어 프로그램이 끝나는 2030년경에는 “사업화가 되어 있지 않으면 안 된다”라고 오모리 교수는 말한다. 대기업과의 협업과 회사 설립 등도 시야에 넣고 사회 구현을 위해 착실히 추진해나갈 계획이라고 한다.

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