일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2023.3.31

초전도뿐만 있는 것이 아니다, 국산 양자컴퓨터 개발의 최전선
양자컴퓨터의 실용화를 향한 긴 여정
'5대 방식'의 우위점과 과제 비교 분석

양자컴퓨터 개발이 세계적으로 가속화되고 있다. 개발에서 앞서가고 있는 것은 IBM이나 구글, 이화학연구소 등이 추진하는 초전도 방식이지만, 방식은 그것뿐만은 아니다. 일본에서도 다양한 연구기관 및 기업들이 다른 방식의 양자컴퓨터 연구개발을 추진하고 있다.

이화학연구소, 산업기술종합연구소, 정보통신연구기구(NICT), 오사카대학, 후지쓰, NTT는 3월 27일, 초전도 방식의 양자컴퓨터 클라우드 서비스 ‘양자계산 클라우드 서비스’를 시작했다. 실제 국산 양자컴퓨터가 외부에 공개되는 것은 이번이 처음이다. 공동연구계약을 맺은 연구기관 및 기업들의 이용을 통해 향후 대규모화와 용도 개발의 진전을 기대할 수 있다.

이번에 공개되는 국산 양자컴퓨터는 이화학연구소 양자컴퓨터연구센터(RQC)의 나카무라(中村) 센터장 등이 연구개발한 64큐비트 초전도 큐비트 칩이 탑재된 것이다.

단순한 규모로 비교하면 이미 IBM이 2022년 11월에 발표한 433큐비트의 ‘IBM Quantum Osprey 시스템’ 등에 비해 뒤처지지만, 나카무라 센터장은 “대규모 양자컴퓨터 실현은 도전적인 과제로, 세계적으로도 아직 넘어야할 장벽이 높은 기술이다. 개발은 긴 레이스이기 때문에 우리가 기술적으로 기여할 여지는 충분하다”라고 말한다.

나카무라 센터장의 말처럼 현재 개발된 초전도 양자컴퓨터는 모두 실용적인 성능을 갖추고 있지 않다. 수 십~수 백 큐비트밖에 없어 실용적인 문제를 현행 방식의 컴퓨터보다 빠르게 풀 수 없다. 섬세한 큐비트를 정확하게 제어해 큐비트에 발생한 오류를 정정하는 양자 오류 정정 기술도 필요하다.

초전도 양자컴퓨터의 실용화를 위한 가장 큰 걸림돌로 여겨지는 것이 규모의 문제이다. 초전도 큐비트를 동작시키려면 초전도 큐비트 칩을 절대 영도에 가까운 약 10밀리켈빈의 극저온으로 냉각할 필요가 있다.

극저온 환경을 만들어 내기 위해 희석 냉동기를 이용하지만, 초전도 큐비트 칩 가동에 필요한 10밀리켈빈까지 냉각할 수 있는 공간은 한정되어 있다. 큐비트를 제어하는 배선과 주변 부품도 초전도 큐비트 칩 가까이에 수납하게 되면 현재 기술의 연장선상에서 실용 성능을 갖춘 규모를 실현하기 어렵다.

-- 초전도 방식의 과제를 해결할 수 있을까, 아니면 타방식의 한방 역전일까 --
IBM은 2022년 5월, 초전도 양자컴퓨터 규모 확대를 위한 구체적인 로드맵을 발표했다. 로드맵에 따르면, IBM은 향후 1장의 칩에 탑재되는 큐비트를 늘리는 동시에 모듈화한 여러 칩을 네트워크를 통해 접속해 2025년에는 4,158큐비트를 실현한다.

구글은 2021년 5월에 발표한 로드맵을 통해 2029년까지 100만 큐비트를 탑재한 양자 오류 정정을 할 수 있는 양자컴퓨터를 개발하겠다고 밝히고 있다. 거대한 희석냉동기 내에 100만 큐비트를 저장. 1,000개의 물리 큐비트로 하나의 논리 큐비트를 만들어냄으로써 실용성을 갖춘 1,000논리큐비트 양자컴퓨터를 만들 계획이다.

현시점에서는 개발에서 앞서 있는 초전도 양자컴퓨터가 주목 받고 있지만, IBM이나 구글의 방법으로도 실용화하려면 기술의 진보와 막대한 투자가 필요하다. 그래서 다른 방식으로 양자컴퓨터를 개발하는 연구도 활발하다. 각각에는 규모 확대가 초전도 방식보다 용이하거나, 기존의 인프라와 상성이 잘 맞는 등의 장점이 있어 실용화를 향한 한방 역전을 노리고 있다.

현재 특히 유력한 것은 초전도 방식과 실리콘 방식, 광방식, 이온트랩 방식, 냉각원자 방식 등 '5대 방식'이다.

실리콘 방식은 큐비트 칩을 수 켈빈으로 냉각해야 하지만 10밀리 켈빈까지 냉각해야 하는 초전도 방식과 비교하면 보다 '고온'에서 동작할 수 있어 규모 확대의 장벽은 비교적 낮다. 큐비트가 양자 상태를 유지할 수 있는 상관 시간(Coherence time)이 긴 것도 장점이다. 국내에서는 산업기술종합연구소와 이화학연구소, 히타치제작소 등이 연구하고 있다.

광방식은 큐비트가 실온에서 동작하기 때문에 희석냉동기와 같은 대규모 설비가 불필요해 규모 확대 측면에서 큰 강점을 가지고 있다. 광통신과도 상성이 좋다. 한편, 큐비트와 연산의 보조광 역할을 담당하는 광펄스가 섬세하기 때문에 광회로를 구성하는 디바이스의 진보가 과제이다. 국내에서는 도쿄대학과 이화학연구소, NTT 등이 연구하고 있다.

이온트랩 방식은 원자에서 전자를 1개 제거한 이온을 공간상에 고정시켜 큐비트로 이용하는 것이다. 이온은 고체 디바이스와 같은 제조 시의 문제로 인한 품질의 편차가 없기 때문에 큐비트로써의 특성이 균일하고 결함이 없다는 것이 특징이다.

양자 상태를 유지할 수 있는 상관 시간이 길고, 게이트 조작도 기초 연구에서는 높은 정확도를 자랑한다. 한편, 대규모화의 장벽은 높고, 다른 이온트랩 간의 큐비트를 얽히게 하는 기술 등이 필요하다. 국내에서는 오키나와과학기술대학원 대학(OIST)과 오사카대학이 실용화를 위한 연구를 추진하고 있다.

냉각 원자 방식은 레이저 빛으로 절대 영도에 가까운 10마이크로켈빈 정도로 냉각된 원자를 큐비트로 사용하기 때문에 이온트랩 방식과 마찬가지로 큐비트의 특성은 균일하다. 빠르고 정확한 2큐비트 게이트 구현이 어려운 것이 과제였지만, 2022년 8월, 자연과학연구기구 분자과학연구소가 초전도 방식을 뛰어넘는 고속 게이트 조작에 성공해 주목 받고 있다.

불가사의하게 느껴지는 양자역학이지만, 초전도 큐비트와 국산 양자컴퓨터 1호기의 창시자인 나카무라 센터장은 “이론으로서는 매우 아름답다. 완벽하게 (양자컴퓨터를) 만들어 제어하면 완벽하게 움직일 것이라는 신뢰감이 있다”라고 말한다. 양자 자체는 '신이 만들었다라'고 형용될 정도로 완벽한 존재이다. 양자컴퓨터 개발이란 바로 이 완벽하지만 너무 섬세한 양자를 연산소자로써 길들이는 프로세스라고 할 수 있다.

필자가 취재에서 느낀 것은 현재는 초전도 방식을 뛰어넘는 성능의 양자컴퓨터 개발이 어려운 방식이라도 하나의 돌파구를 통해 판도를 바꿀 수 있다는 것이다. 이러한 의미에서 일본의 양자컴퓨터 개발은 아직 큰 역전 가능성을 내포하고 있다. 언제, 누가, 어떻게 꿈의 컴퓨터를 완성할 것인가? 낭만으로 가득찬 경쟁은 뜨거워지고 있다.

-- 끝 --

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