미래기술/미래전망/첨단산업

Nikkei Computer_2023.4.27 (p42~51)

일본의 국산 양자컴퓨터 가동
초전도 방식, 5대 방식이 경쟁 중

드디어 일본에서 실제 국산 양자컴퓨터가 가동되기 시작했다. 이화학연구소, 산업기술종합연구소, 정보통신연구기구(NICT), 오사카대학, 후지쓰, NTT는 3월 27일, 초전도 방식의 양자컴퓨터 클라우드 서비스 ‘양자계산 클라우드 서비스’를 개시했다.

이 서비스는 공동연구 계약을 맺은 연구기관이나 기업이 인터넷을 통해 이용할 수 있다. 실제 기기를 이용한 테스트가 시작됨으로써 향후 양자컴퓨터의 대규모화 및 용도 개발의 진전을 기대할 수 있을 것이다.

이번 양자컴퓨터는 이화학연구소양자컴퓨터연구센터(RQC)의 나카무라(中村) 센터장 등이 연구개발한 64큐비트 초전도 큐비트 칩이 탑재된다. 단순한 규모로 비교할 경우, 이미 미국의 IBM이 2022년 11월에 발표한 433큐비트의 ‘IBM Quantum Osprey 시스템’ 등에는 뒤처지지만, 나카무라 센터장은 “대규모 양자 컴퓨터의 실현은 도전적인 과제로, 세계적으로도 아직 장벽이 높은 기술이다. 개발은 긴 레이스가 될 것이기 때문에 우리가 기술적으로 기여할 여지는 충분하다”고 말한다.

《초전도 양자 컴퓨터를 둘러싼 상황》
양자컴퓨터 개발에서 초전도 방식이 앞서 있어

■ 이화학연구소 등
2023년 3월말, 양자계산 클라우드 서비스 개시. 64큐비트 하드웨어 공개

■ 미국 IBM
2022년 11월, 433큐비트의 ‘IBM QUANTUM Osprey 시스템’ 발표. 일본 내에서도 2021년 7월부터 실제 양자컴퓨터를 가동하여 서비스를 제공 중

■ 영국 옥스퍼드 퀀텀서키츠(OQC)
2023년 가을에 일본 내에서 실제 양자컴퓨터를 가동해 서비스 제공을 개시할 계획

■ 미국 리게티컴퓨팅(Riggetti Computing)
2019년 12월부터 아마존웹서비스에서 양자컴퓨터 서비스를 제공 중

■ 미국 구글
올 2월, 양자 오류 정정 기술을 이용해 양자게이트 조작의 오류율 저감을 확인할 수 있었다고 발표했다.

나카무라 센터장의 말처럼 현재의 초전도 양자컴퓨터는 모두 실용적인 성능을 갖추고 있지 않다. 수 십에서 수 백 큐비트밖에 안 되기 때문에 실용적인 문제를 현행 방식의 컴퓨터보다 빠르게 풀 수는 없다. 또한 섬세한 큐비트를 정확하게 제어해 큐비트에 발생한 오류를 정정하는 양자 오류 정정 기술도 필요하다.

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

극저온의 환경을 만들어 내기 위해 희석 냉동기를 이용하지만, 초전도 큐비트 칩 가동에 필요한 10밀리켈빈까지 냉각시킬 수 있는 공간은 한정되어 있다. 큐비트를 제어하는 배선이나 주변 부품도 초전도 큐비트 칩 가까이에 두게 될 경우, 현재 기술의 연장선상에서 실용 성능을 갖춘 규모를 실현하기 어렵다.

-- 유력한 '5대 방식'이 경쟁 --
IBM은 2022년 5월, 초전도 양자컴퓨터 규모 확대를 위한 구체적 길을 제시한 로드맵을 발표했다. 로드맵에 따르면, IBM은 향후 1장의 칩에 탑재할 큐비트를 늘리는 동시에 모듈화한 여러 칩들을 네트워크를 통해 접속해 2025년에는 4,158큐비트를 실현한다.

구글은 2021년 5월에 발표한 로드맵에서 2029년까지 100만 큐비트를 탑재한 양자 오류 정정을 할 수 있는 양자컴퓨터를 개발하겠다고 밝혔다. 거대한 희석냉동기 내에 100만 큐비트를 저장하고 1,000개의 물리 큐비트로 하나의 논리 큐비트를 만들어냄으로써 실용성을 갖춘 1,000개의 논리 큐비트 양자컴퓨터로 만들 계획이라고 한다.

현시점에서는 개발이 앞서있는 초전도 양자컴퓨터가 주목을 받고 있지만, IBM과 구글의 방법도 실용화에는 기술의 진보 및 막대한 투자가 필요하다. 그래서 다른 방식으로 양자컴퓨터를 개발하는 연구도 활발하며, 각각 규모 확대가 초전도 방식보다 용이하거나 기존 인프라와의 상성이 좋다는 등의 이점을 통해 실용화 경쟁에서 역전을 목표로 하고 있다.

<컴퓨터 5대 방식의 장점과 과제>
초전도 방식의 뒤를 광방식이나 냉각 원자방식이 추격

현재 특히 유력한 것은 초전도 방식과 함께 실리콘 방식, 광 방식, 이온트랩 방식, 냉각원자 방식을 포함한 '5대 방식'이다.
 

초전도 방식에 대해서는 이미 닛케이컴퓨터에서 자세히 소개하고 있다. 여기서는 초전도 이외의 4가지 방식에 주목해 국산 양자컴퓨터 개발의 최전선을 소개한다.

■ 광 방식; 상온에서 가동 가능

우선 초전도 방식에 이어 실제 국산 하드웨어 기기가 등장할 것으로 예상되는 것은 광방식이다. 광 방식의 장점은 큐비트가 실온에서 동작한다는 점이다. 초전도 방식이나 실리콘 방식과 같이 희석 냉동기를 필요로 하지 않기 때문에 하드웨어의 소형화가 가능해 대규모화할 때 기술적 장벽이 작다. 광통신과의 상성도 좋다.

현재 도쿄대학에서 2종류의 광양자컴퓨터 개발이 추진되고 있다. 도쿄대학의 후루사와(古澤) 교수 연구팀이 NTT, 이화학연구소 등과 개발하고 있는 ‘시간 영역 다중화 기술을 이용한 측정유기형(測定誘起型)의 광양자컴퓨터’, 그리고 같은 도쿄대학 다케다(武田) 조교수 연구팀이 개발하고 있는 ‘루프형 광양자컴퓨터’이다.

이 두 가지 모두 광회로 내부를 이동하는 광펄스를 큐비트로 사용하고, 큐비트의 정보가 탑재된 광펄스에 특수한 보조광펄스를 혼합한 후 양자 텔레포테이션(순간이동)을 발생시켜 계산을 하는 '양자 텔레포테이션 회로'를 사용하는 점은 공통적이다.

후루사와 교수가 개발하는 측정유기형 광양자컴퓨터는 광로상에 광 펄스를 대량으로 배열해 미리 대규모 양자엉킴을 준비하고 일부 큐비트를 관측함으로써 나머지 큐비트를 조작하는 구조이다.

다케다 조교수가 개발하는 루프형 광양자컴퓨터는 광 펄스가 1개인 양자 텔레포테이션 회로를 여러 차례 루프하는 구조이다. 양자 텔레포테이션 회로의 기능을 전환하면서 광펄스에 대해 여러 가지 계산을 여러 단계에 걸쳐 실행하는 구조이다.

-- 1년 반 후의 클라우드 공개를 목표로 --
-- 기존형 알고리즘도 고속계산 --
-- 루프 방식도 프로토타입 완성 --
-- 광펄스의 로스 억제가 과제 --

■ 냉각 원자 방식; 고속 게이트 조작으로 유력해져

다음은 자연과학연구기구 분자과학연구소가 개발하고 있는 냉각원자 방식의 양자컴퓨터를 살펴보자. 이 방식의 양자컴퓨터도 곧 실제 기기가 등장할 가능성이 높으며, 갑자기 수 천 큐비트의 실제 기기가 개발될 가능성도 있다.

냉각원자 방식은 레이저광으로 절대 영도에 가까운 10마이크로켈빈 정도로 냉각시킨 원자를 광 핀셋이라 불리는 방법으로 포착해 큐비트로 이용하는 방식이다. 큐비트가 양자 상태를 유지할 수 있는 상관 시간이 1초~수 초로 긴 점과 큐비트를 물리적으로 이동시켜 전체 결합을 할 수 있다는 점, 초전도 방식과 실리콘 방식, 이온트랩 방식에 비해 대규모화가 용이한 점 등이 장점이다.

-- 일본의 분자과학연구소가 기존 과제 돌파 --
많은 장점이 있는 냉각원자 방식이지만, 2개의 큐비트를 양자얽힘 상태로 만드는 2큐비트 게이트를 빠르고 정확하게 실현하기 어려운 점이 과제였다. 하지만 2022년 8월, 분자과학연구소의 연구가 큰 돌파구를 가져왔다.

분자과학연구소 광분자과학연구영역의 오모리(大森) 연구주간이 이끄는 연구진이 2개의 냉각원자를 이용해 제어 게이트로 불리는 양자컴퓨터에 필수적인 2큐비트 게이트를 세계에서 가장 빠르게 실행하는 데 성공했다고 발표했다. 성공한 것은 '제어 Z 게이트'라고 불리는 제어 게이트 중 하나이다. 제어 게이트 1개와 1큐비트 게이트를 조합하면 연산에 필요한 모든 게이트를 실현할 수 있어 냉각원자 방식 양자컴퓨터를 이용한 고속연산 가능성이 크게 열리게 되었다.

오모리 연구주간은 광 핀셋으로 포착한 원자 2개를 2.5마이크로미터까지 근접시켜 10피코초(1,000억분의 1초)만 빛나는 특수 레이저광을 조사함으로써 제어 Z 게이트를 6.5나노초 만에 작동시켰다.

지금까지 가장 빠른 제어 게이트 동작  속도는 2020년 구글이 초전도 방식으로 달성한 15나노초였다. 외부 환경이나 조작용 레이저로 인해 발생되는 노이즈가 게이트 조작의 정밀도인 충실도를 낮추는 시간적인 척도는 약 1마이크로초이기 때문에 6.5나노초이면 노이즈의 영향을 거의 무시할 수 있다고 한다.

-- 분자를 '리드버그(Rydberg) 상태'로 --
-- 초고속 펄스 레이저 사용 --

■ 이온트랩 방식; 큐비트의 안정성 높아

이어서 오키나와과학기술대학원 대학(OIST)과 오사카 대학 등이 개발하고 있는 이온트랩 방식의 양자컴퓨터를 살펴보자.

이온트랩 방식의 양자컴퓨터는 원자에서 전자를 1개 제거한 이온을 공간상에 고정시켜 큐비트로 이용하는 방식이다. 이온은 고체 디바이스와 같이 제조 문제에 의한 품질의 편차가 없기 때문에 큐비트의 특성이 균일하고 결함이 없다는 것이 특징이다.

이온트랩 방식은 현재, 1큐비트 및 2큐비트의 큐비트 게이트 조작에 있어 기초 연구에서는 가장 높은 정밀도를 자랑한다. 양자 상태를 유지할 수 있는 상관 시간이 긴 것도 장점이다.

이온트랩 방식에서는 가장 바깥쪽 궤도를 도는 전자가 2개인 원자에서 전자를 1개 제거한 이온을 이용한다. 전자 궤도와 전자 스핀, 핵 스핀으로 결정되는 이온의 내부 에너지 상태를 큐비트의 0과 1에 대응시킨다.

이온트랩 방식의 양자컴퓨터의 기본적인 구조는 이렇다. 우선, 광이온화 레이저로 이터븀(Yb)이나 칼슘 등의 원자에 두 가지 서로 다른 파장의 빛을 비추어 전자를 여기(勵起, Excitation)해 이온화시킨다. 여기에 광펌프 레이저와 2종류의 냉각 레이저를 사용해 이온을 1밀리켈빈 미만까지 냉각시켜 이온의 열운동을 멈추게 한다. 두 종류의 냉각 레이저 중 하나는 연산 전에 큐비트를 초기화할 때에도 이용된다. 그 후에 큐비트 여기 레이저로 필요한 게이트 조작을 실행한다.

환경 변화 등에 의한 노이즈의 영향을 피하기 위해 이온은 진공챔버 내 이온트랩으로 포착한다. 이온트랩은 전기장의 제어를 통해 이온을 공중에 고정시켜 두는 기능을 가진다. 레이저와 진공챔버 사이에는 빛의 경로 및 주파수를 전환하거나 집광을 위해 미러나 음향광학변조기, 렌즈 등의 광학계 기기를 둔다.

큐비트의 정보는 화상 증강 장치가 부착된 카메라와 광전자증배관 등의 광검출 장치로 검출해, 연산에 필요한 제어를 담당하는 전기 펄스 제어 및 신호 처리계의 시스템으로 보내거나 연산 결과로서 읽어낸다.

이온트랩 방식의 가장 큰 과제는 대규모화 기술 개발이다.

기본적인 이온트랩 방식은 이온을 가로 일렬로 나열한다. 원리적으로는 나열하는 이온을 늘리면 큐비트 수를 늘릴 수 있지만, 하나의 이온트랩에 수 백~수 천 개의 이온을 나열해 제어하기는 매우 어려워 현재의 기술로는 현실적이지 않다. 이온이 늘어날수록 원하는 조작을 할 때 레이저 주파수를 엄격하게 제어할 필요가 있기 때문이다. 이러한 이유로 다른 이온트랩 간을 연결하는 기술이 필요하게 된다.

-- 이온 간 빛에 의해 연결 --
-- 양자 오류 정정 관련 기술도 개발 중 --

■ 실리콘 방식, 기존 반도체 기술과 융합 가능

마지막으로, 이화학연구소와 산업종합연구소, 히타치제작소 등이 개발하고 있는 실리콘 방식의 양자컴퓨터를 소개한다.

실리콘 양자컴퓨터에서는 실리콘 칩 위에 만든 '양자점(Quantum dot)'이라고 하는 상자와 같은 존재에 전자를 1개만 가두어 놓고 전자의 스핀에 의해 생기는 자기장의 방향을 큐비트로 사용한다.

극저온의 환경 속의 큐비트에 마이크로파를 조사해 큐비트를 제어하거나 큐비트의 정보를 읽어내는 구조는 초전도 방식과 비슷하다. 초전도 방식과 비교했을 때 실리콘 방식의 장점은 실리콘 방식이 더 높은 온도에서 가동될 수 있다는 점이다.

초전도 방식에서는 큐비트를 절대 영도에 가까운 10밀리켈빈 정도의 극저온에 둔다. 초전도 방식의 양자컴퓨터용으로 개발된 최신 희석냉동기를 사용해도 드럼통 크기의 냉각부분 중 10밀리켈빈 정도로 식힐 수 있는 것은 극히 일부에 불과하다. 이 때문에 초전도 방식은 규모 확대에 큰 장벽이 있다고 여겨지고 있다.

반면, 실리콘 방식의 기초 연구 결과에서는 큐비트가 100밀리켈빈에서 1.5켈빈 정도에서 동작한다. 그이때문에 초전도 방식에 비해 희석 냉동기를 소형화할 수 있거나 큐비트 근처에 발열하는 주변기기를 둘 수 있다는 장점이 있다.

큐비트가 양자 상태를 유지할 수 있는 상관 시간과 계산 조작인 게이트 조작의 정확성을 나타내는 충실도에 대해서는 현재 기초연구에서 실시된 극히 소규모 수준의 경우, 실리콘 방식은 초전도 방식과 비교해도 손색이 없다.

-- 제어기술은 아직 개발 중 --
반면, 실리콘 큐비트를 집적한 상태에서 원하는 큐비트만을 제어하는 기술 등은 아직 개발 중이다. 실리콘 방식은 일단 제어기술이 확립되면 기존 반도체기술과의 융합으로 단번에 큐비트의 대규모화가 가능해질 것으로 전망된다.

-- 산업종합연구소는 제조상의 과제를 해결 --
-- 2030년에 100만 큐비트로 --
-- 이화학연구소는 회로 오류 정정 기술 개발 --

 -- 끝 --

Copyright © 2020 [Nikkei Computer] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.