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Built with a breakthrough class of materials called a topoconductor, Majorana 1 marks a transformative leap toward practical quantum computing.
위상 컨덕터라는 획기적인 소재로 제작된 Majorana 1은 실용적인 양자 컴퓨팅을 향한 획기적인 도약을 보여줍니다.
한때 SF 영화에서나 등장할 것 같았던 양자 컴퓨터가 이제 현실이 되어가고 있습니다. 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터로는 해결하기 어려운 복잡한 문제를 훨씬 빠르게 처리할 수 있는 혁신적인 기술입니다. 하지만 그 동안 양자 컴퓨터가 실용화되기 위해서는 몇 가지 큰 장벽이 있었습니다. 그 중에 중요한 것은 양자 오류 보정(Quantum Error Correction, QEC)입니다.
일반적인 컴퓨터는 0과 1로 이루어진 이진법을 사용하지만, 양자 컴퓨터는 큐비트(Qubit)라는 단위를 사용합니다. 큐비트는 0과 1을 동시에 표현할 수 있어 강력한 연산 능력을 갖지만, 환경 변화에 매우 민감해 작은 외부 영향에도 오류가 발생하기 쉽습니다. 따라서 신뢰할 수 있는 양자 컴퓨터를 만들기 위해서는 오류를 보정하는 기술이 필수적입니다. 마이크로소프트의 연구진은 이러한 양자 오류 보정 기술을 포함하여 양자 컴퓨터에 한 걸음 더 나아가는 세계 최초의 양자프로세서유닛(Quantum Process Unit, QPU) 마요라나 1(Majorana 1)을 공개했습니다.
· 마조라나 1: 단일 칩에서 백만 큐비트까지 확장할 수 있도록 설계된 세계 최초의 위상 코어(Topological Core) 기반 QPU
· 하드웨어로 보호되는 위상 큐비트(Topological Qubit): 세계적으로 권위있는 학술지인 네이처(Nature)에 발표된 연구와 Station Q 회의에서 공유된 데이터는 새로운 유형의 물질을 활용하여 작고 빠르며 디지털 방식으로 제어되는 근본적으로 다른 유형의 큐비트를 엔지니어링 능력.
· 신뢰할 수 있는 양자 컴퓨팅을 위한 장치 로드맵: 단일 큐비트 장치에서 양자 오류 수정(QEC)이 가능한 어레이 개발 방향.
· 위상에 기반한 세계 최초의 내결함성 프로토타입(fault-tolerant prototype, FTP) 구축: 마이크로소프트는 방위고등연구계획국(DARPA)의 유틸리티 규모 양자 컴퓨팅을 위한 미개척 시스템(US2QC) 프로그램의 마지막 단계의 일환으로 수십 년이 아닌 수년 내에 확장 가능한 양자 컴퓨터의 FTP를 구축하기 위한 연구개발을 진행 중.
이러한 프로젝트 마일스톤(Milestone)는 과학적 탐험에서 기술 혁신으로 나아가는 양자 컴퓨팅의 중요한 구체적인 목표를 제시합니다.
새로운 유형의 재료 활용
마이크로소프트에서 발표한 내용은 세계 최초의 위상 컨덕터(Topo Conductor)라는 혁신적인 물질의 개발이 기반입니다. 이 혁신적인 물질을 통해 이전에는 이론으로만 존재했던 물질의 새로운 상태인 위상 초전도(Topological Superconductivity) 물질을 만들 수 있게 되었습니다. 이러한 발전은 반도체인 인듐 비소와 초전도체인 알루미늄을 결합한 게이트 정의 소자의 설계 및 제작에 대한 마이크로소프트의 혁신에서 비롯되었습니다. 이러한 소자를 절대 영도에 가깝게 냉각하고 자기장에 영향을 받아 위상 초전도 나노와이어(Nanowire)의 끝부분에서 마요라나 제로 모드(Majorana Zero Mode, MZM)를 형성합니다.
한 세기 동안 준입자(quasiparticle)은 이론으로만 존재했었습니다. 마이크로소프트는 위상 컨덕터에서 필요에 따라 이를 생성하고 제어할 수 있습니다. MZM은 큐비트의 구성 요소로, 전선에 짝수 또는 홀수 개의 전자가 포함되어 있는지 여부에 관계없이 '패리티(Parity)'를 통해 양자 정보를 저장합니다. 기존 초전도체에서 전자는 쿠퍼 쌍으로 결합하여 저항 없이 이동합니다. 짝을 이루지 않은 전자는 추가 에너지가 필요하기 때문에 감지할 수 있습니다. 하지만 초전도체는 다릅니다. 여기서는 짝을 이루지 않은 전자가 한 쌍의 MZM 사이에서 공유되므로 보이지 않으나 독특한 특성이 양자 정보를 보호합니다.
이러한 특성으로 인해 위상 컨덕터는 큐비트에 이상적인 후보가 될 수 있지만, 이렇게 숨겨져 있는 양자 정보를 어떻게 읽을 수 있을까요? 예를 들어 1,000,000,000개의 전자와 1,000,000,001개의 전자를 어떻게 구별할 수 있을까요?
이 측정 문제에 대한 마이크로소프트의 솔루션은 다음과 같습니다. (그림 1 참조):
· 디지털 스위치를 사용하여 나노 와이어의 양쪽 끝을 전하를 저장할 수 있는 초소형 반도체 장치인 양자점에 연결합니다.
· 이 연결은 도트의 전하를 저장하는 능력을 증가시킵니다. 결정적으로, 정확한 증가는 나노와이어의 패리티에 따라 달라집니다.
· 마이크로파를 사용하여 이 변화를 측정합니다. 도트의 전하 유지 능력에 따라 마이크로파가 양자점에서 반사되는 방식이 결정됩니다. 결과적으로 마이크로파는 나노와이어의 양자 상태의 자취(imprint)을 가지고 확인할 수 있습니다.
마이크로소프트는 이 변화가 한 번에 안정적으로 측정할 수 있을 만큼 충분히 크도록 장치를 설계했습니다. 초기 측정의 오류 확률은 1%였으며, 이를 크게 줄일 수 있는 명확한 경로도 확인했습니다.
마이크로소프트의 시스템은 확실히 안정적 입니다. 전자기 방사선과 같은 외부 에너지는 쿠퍼 쌍을 깨뜨려 짝을 이루지 않은 전자를 생성하여 큐비트의 상태를 짝수에서 홀수 패리티로 뒤집을 수 있습니다. 그러나 연구 결과에 따르면 이러한 현상은 평균적으로 밀리초당 한 번만 발생하는 매우 드문 현상입니다. 이는 프로세서를 감싸고 있는 차폐가 방사선을 차단하는 데 효과적이라는 것을 나타냅니다. 더욱 줄일 수 있는 방법을 모색하고 있다고 합니다.
양자 컴퓨터와 이를 구현하기 위해 특별히 설계된 새로운 물질 상태를 설계해야 한다는 것은 어쩌면 당연한 일입니다. 놀라운 점은 판독 기술이 얼마나 정확한지와 함께 이색적인 물질 상태를 양자 컴퓨터에 활용하고 있음을 증명하는 것 입니다.
디지털 정밀도를 통한 양자 제어의 혁신
이 판독 기술은 측정을 통해 계산을 수행하는 양자 컴퓨팅에 대한 근본적으로 다른 접근 방식을 가능하게 합니다.
기존의 양자 컴퓨팅은 양자 상태를 정밀한 각도로 회전시키기 때문에 각 큐비트에 맞는 복잡한 아날로그 제어 신호가 필요합니다. 이는 오류를 감지하고 수정하기 위해 이와 같은 민감한 연산에 의존해야 하는 양자 오류 수정(QEC)을 복잡하게 만듭니다.
마이크로소프트의 측정 기반 접근 방식은 QEC를 획기적으로 간소화합니다. 퀀텀닷을 나노 와이어에서 연결하고 분리하는 간단한 디지털 펄스로 활성화된 측정을 통해 오류 수정을 수행합니다. 이러한 디지털 제어를 통해 실제 애플리케이션에 필요한 많은 수의 큐비트를 실용적으로 관리할 수 있다고 합니다.
물리학에서 엔지니어링까지
이제 핵심 구성 요소인 양자 정보가 MZM으로 인코딩되고, 토폴로지로 보호되며, 측정을 통해 처리되는 과정을 시연했으니, 물리학의 혁신에서 실용적인 구현으로 나아갈 준비가 된 것입니다.
다음 단계는 테트론이라는 단일 큐비트 장치를 중심으로 구축된 확장 가능한 아키텍처입니다(그림 2 참조). Station Q 회의에서 우리는 이 큐비트의 기본 작동을 보여주는 데이터를 공유했습니다. 한 가지 기본 연산(테트론의 위상 나노선 중 하나의 패리티를 측정하는 것)은 위의 네이처 논문에 설명된 것과 동일한 기술을 사용합니다.
또 다른 핵심 연산은 큐비트를 패리티 상태의 중첩에 놓는 것입니다. 이 작업 역시 양자점의 마이크로파 반사 측정으로 수행되지만, 첫 번째 양자점을 나노 와이어에서 분리하고 다른 양자점을 장치의 한쪽 끝에 있는 두 나노 와이어에 연결하는 다른 측정 구성으로 수행됩니다. 이 두 가지 직교 폴리 측정, 즉 Z와 X를 수행함으로써 우리는 로드맵의 다음 단계를 열어주는 중요한 이정표인 측정 기반 제어를 시연했습니다.
이제 저희의 로드맵은 확장 가능한 QEC를 향해 체계적으로 나아가고 있습니다. 다음 단계는 4×2 테트론 어레이입니다. 먼저 2큐비트 하위 집합을 사용해 얽힘과 측정 기반 브레이딩 변환을 시연할 것입니다. 그런 다음 전체 8큐비트 어레이를 사용하여 두 개의 논리적 큐비트에서 양자 오류 감지(QEC)를 구현할 것입니다.
위상 큐비트에 내장된 오류 보호 기능은 QEC를 간소화합니다. 또한, 맞춤형 QEC 코드는 이전의 최첨단 접근 방식에 비해 오버헤드를 약 10배나 줄였습니다. 이러한 극적인 감소는 더 적은 수의 물리적 큐비트로 확장 가능한 시스템을 구축할 수 있고 더 빠른 클럭 속도로 실행할 수 있다는 것을 의미합니다.
DARPA의 접근 방식 인정
DARPA(미국 국방부 산하 방위고등연구계획국)는 대규모 양자 벤치마킹 이니셔티브(QBI)를 구성하는 프로그램 중 하나인 US2QC(유틸리티 규모의 양자 컴퓨팅을 위한 미개척 시스템)라는 엄격한 벤치마킹 프로그램의 최종 단계에 진출할 두 회사 중 하나로 마이크로소프트를 선정했습니다. 이는 위상 큐비트로 내결함성 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 로드맵에 대한 유효성을 입증한 결과 입니다.
DARPA의 US2QC 프로그램과 광범위한 QBI는 기존 컴퓨터의 기능을 넘어서는 문제를 해결할 수 있는 양자 시스템을 평가하기 위한 엄격한 접근 방식을 나타냅니다. 현재까지 US2QC 프로그램에는 DARPA, 공군 연구소, 존스홉킨스대학교 응용물리연구소, 로스알라모스 국립연구소, 오크리지 국립연구소, NASA 에임스 연구센터의 전문가들이 모여 양자 하드웨어, 소프트웨어 및 애플리케이션을 검증했습니다. 앞으로 더 큰 규모의 QBI는 양자 컴퓨터의 테스트 및 평가에 더 많은 전문가들이 참여할 것으로 예상됩니다.
이전에 DARPA는 합리적인 기간 내에 유틸리티 규모의 양자 컴퓨터를 그럴듯하게 구축할 수 있다는 평가에 따라 초기 단계에 마이크로소프트를 선정했습니다. 그런 다음 DARPA는 내결함성 양자 컴퓨터를 위한 마이크로소프트 양자 팀의 아키텍처 설계 및 엔지니어링 계획을 평가했습니다. 이러한 내용을 면밀한 분석의 결과 DARPA와 마이크로소프트 프로그램의 최종 단계 시작을 합의했다고 합니다. 이 단계에서 마이크로소프트는 수년 내에 위상 큐비트에 기반한 내결함성 프로토타입을 구축할 계획으로 유틸리티 규모의 양자 컴퓨팅을 향한 가속 단계로 볼 수 있습니다.
양자 컴퓨팅의 잠재력 실현
18개월 전, 마이크로소프트 양자 슈퍼컴퓨터를 향한 로드맵을 제시했습니다. 오늘 우리는 세계 최초의 위상 큐비트를 시연하며 두 번째 이정표를 달성했습니다. 그리고 이미 100만 큐비트를 수용하도록 설계된 칩에 8개의 위상에서 큐비트를 배치했습니다.
백만 큐비트 양자 컴퓨터는 단순한 이정표가 아니라 세계에서 가장 어려운 문제를 해결하기 위한 관문입니다. 가장 강력한 슈퍼컴퓨터조차도 우리의 미래에 필수적인 물질의 특성을 결정하는 양자 프로세스를 정확하게 예측할 수 없습니다. 하지만 이 정도 규모의 양자 컴퓨팅은 교량의 균열을 복구하는 자가 치유 재료, 지속 가능한 농업, 더 안전한 화학 물질 발견과 같은 혁신으로 이어질 수 있습니다. 오늘날 수십억 달러가 소요되는 철저한 실험적 탐색과 실험실을 통한 실험이 필요한 것을 양자 컴퓨터의 계산을 통해 발견할 수 있습니다.
유용한 양자 컴퓨팅을 향한 마이크로소프트의 길은 기반 기술에 대해서는 입증되었고, 앞으로 아키텍처를 확장 할 수 있다고 믿습니다. DARPA와의 새로운 계약은 과학적 발견을 촉진하고 중요한 문제를 해결할 수 있는 기계를 구축한다는 목표를 향해 끊임없이 발전하겠다는 의지를 보여줍니다. 양자 컴퓨터가 점점 현실이 되고 있습니다.
[YouTube] Majorana 1 Explained: The Path to a Million Qubits | Microsoft
※ 기사 내용 참조
[Microsoft] Microsoft unveils Majorana 1, the world’s first quantum processor powered by topological qubits | by Chetan Nayak | February 19, 2025 | https://azure.microsoft.com/en-us/blog/quantum/2025/02/19/microsoft-unveils-majorana-1-the-worlds-first-quantum-processor-powered-by-topological-qubits/
[Nature 논문] Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices | Microsoft Azure Quantum et. al. | 19 February 2025 | https://www.nature.com/articles/s41586-024-08445-2
※ 마이크로소프트가 마요라나로 이름을 붙인 것은 이탈리아의 이론 물리학자 에토레 마요나라(Ettore Majorana, 1906~1938)가 발견한 물질과 반물질의 중간의 마요라나 페르미온(Majorana fermion) 입자에서 따온 것으로 추정됩니다.
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기술이 어디를 향하고 개인과 사회에 어떤 영향을 미치는지 연구합니다.
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