양자 컴퓨팅: 새로운 역량을 이끄는 방법과 소재

양자 컴퓨팅은 양자 역학의 원리를 적용하며 기존 컴퓨팅보다 훨씬 강력하여 더 복잡한 문제를 해결할 수 있습니다. 이러한 형태의 컴퓨팅은 특히 물리 시스템 모델링에 탁월하여 화학 및 재료 과학 분야에서 가치가 높습니다.

양자 컴퓨터는 수십억 개의 잠재적 후보 물질을 시뮬레이션하여 질병 치료를 돕는 방식으로 신약 개발을 혁신할 수 있습니다. 또한 상온 초전도성과 같은 특정 특성을 가진 새로운 소재 후보를 선별할 수 있습니다. 심지어 전 세계 기상 모델을 즉각적으로 계산하여 기존의 일기 예보를 과거의 유물로 만들 수도 있습니다. 양자 컴퓨팅은 어떻게 이 모든 것을 수행할까요? 그 해답은 일반적인 형태의 컴퓨팅인 고전 컴퓨팅과의 차이점에 있습니다.

우리가 노트북과 휴대폰을 통해 익히 알고 있는 이러한 컴퓨팅 방식은 0 또는 1이라는 명확한 이진 상태의 비트를 사용하는 칩을 활용합니다. 슈퍼컴퓨터는 이러한 상태를 병렬로 쌓아 대량의 데이터를 처리하며 데이터 센터에서 사용됩니다.

양자 컴퓨팅에서는 큐비트(양자 비트)가 0, 1 또는 두 상태를 동시에 가질 수 있습니다(중첩, 그림 1 참조). 큐비트는 양자 처리 장치(QPU)라는 칩에서 작동합니다. 이를 통해 수많은 가능한 해결책을 동시에 탐색할 수 있습니다. 고전 컴퓨팅과 달리 양자 컴퓨팅은 아직 최적의 큐비트 유형에 대한 명확한 '승자'가 없는, 도전적이고 복잡한 기술 및 개념의 분야입니다.

양자 컴퓨팅은 수년간 논의되고 이론화되어 왔습니다. 이 분야는 아직 초기 단계이지만, 연구 기관과 상업 기업 전반으로 기술이 확장되고 있습니다. 우리는 지난 25년간의 양자 컴퓨팅 발전을 더 잘 이해하기 위해 가장 방대한 과학 정보 큐레이션 저장소인 CAS Content Collection^TM을 분석했습니다(그림 2 참조).
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분석 결과, 학술 논문이 특허보다 우세한 것으로 나타났습니다. 그러나 최근 특허가 급증하기 시작하여 향후 몇 년간 큰 폭의 성장이 예상됩니다. 양자 컴퓨팅의 작동 원리와 이러한 발전을 가능하게 하는 소재에 대해 살펴보겠습니다.

양자 컴퓨팅의 방식

양자 컴퓨팅은 각각 고유한 방식과 응용 분야를 가진 여러 가지 접근법을 포괄합니다. 이러한 방식은 사용되는 큐비트의 유형을 결정하는 데 핵심적인 역할을 합니다.

• 게이트 기반 양자 컴퓨팅은 범용 양자 컴퓨팅이라고도 불리며, 가장 널리 연구되는 방식입니다. 본질적으로 이는 큐비트에 주어지는 일련의 명령이나 조리법과 같습니다. 실제로 게이트는 정밀하게 제어된 물리적 신호를 통해 큐비트 상태를 변환하는 유니타리 연산입니다. 반도체 스핀 큐비트는 마이크로파 전자기 펄스를 사용하여 제어되는 반면, 트랩 이온 큐비트는 일반적으로 정밀하게 조정된 레이저 빔을 사용하여 제어됩니다. 이러한 제어 신호는 연산을 가능하게 하는 양자 게이트를 구현합니다. 게이트나 신호는 큐비트를 조작하여 문제를 해결할 수 있는 연산을 수행합니다.

• 단열 양자 컴퓨팅은 연산 과정 내내 시스템이 바닥 상태를 유지하는 보다 통제된 과정을 따릅니다. 이는 최적화 문제와 긴 계산 과정에서 양자 결맞음을 유지하는 데 유리합니다.

• 반면, 양자 어닐링은 큐비트를 고에너지 중첩 상태에서 시작하여 시스템이 최적의 해를 나타내는 낮은 에너지의 바닥 상태로 점진적으로 이동하게 하는 다른 접근 방식을 취합니다. 이 방식은 조합 최적화, 스케줄링, 머신 러닝 작업에 효과적이지만 게이트 기반의 논리 연산보다는 범용성이 떨어집니다. 시스템을 중첩 상태에서 시작하는 것의 장점은 양자 터널링이라는 또 다른 현상을 활용할 수 있다는 점인데, 이는 고전적인 방식으로는 접근할 수 없는 상태에 시스템이 접근할 수 있게 합니다. 이를 통해 시스템은 광범위한 중첩 상태에 접근할 수 있게 되어 진정한 에너지 최솟값을 찾을 확률이 높아집니다.

• 측정 기반 양자 컴퓨팅은 모든 큐비트가 고도로 얽힌 자원 상태(예: 클러스터 상태)인 상태에서 시스템을 시작한 다음, 하나의 큐비트를 측정합니다. 이 초기 측정은 다른 모든 큐비트의 반응을 유도하며 다음에 측정할 큐비트를 결정하는 데 도움을 줍니다. 큐비트 측정은 모든 큐비트가 측정될 때까지 순차적으로 계속됩니다. 그 목적이 처음에는 이상하게 보일 수 있지만, 통계적 문제나 양자 특성 문제와 같은 특정 유형의 계산에 이상적입니다.

• 확률적 계산은 시작 시점에 전체 큐비트 세트가 작동해야 하며, 그 후에 최종 결과가 도출됩니다.

• 복잡한 양자 간섭 계산은 주어진 시스템에서 동시에 발생하는 많은 간섭이 서로 상호작용할 수 있습니다. 이들은 모두 함께 반응하기 때문에 순차적으로 계산하는 것이 불가능하며, 따라서 측정 기반 접근 방식이 이러한 문제에 이상적입니다.

• 마지막으로, 위상 양자 컴퓨팅은 애니온(anyon)이라 불리는 이국적인 입자와 위상적 특성(표면 및 구조적 특성)을 활용하여 본질적으로 오류에 강한 양자 상태를 생성하는 새로운 영역을 나타냅니다. 애니온은 2차원 시스템에서만 존재하는 준입자의 일종으로, 표면에서 조작하기에 이상적인 입자입니다. 실제 장치에 가장 적합한 애니온은 마요라나 제로 모드(MZM)라고 합니다. 다른 형태의 양자 컴퓨팅과 달리, 이러한 위상 애니온 상태는 본질적으로 국소적인 노이즈와 결맞음 해제에 더 강하며 내장된 오류 억제 기능을 제공합니다.

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큐비트의 유형

초전도 큐비트는 가장 범용성이 뛰어나 여러 양자 컴퓨팅 방식을 지원합니다. 이들은 조셉슨 접합을 사용하여 저온에서 저항 없이 전기를 전도하는데, 이는 비선형성을 제공하여 회로가 이산적이고 제어 가능한 양자 상태를 가질 수 있게 하는 회로의 일종입니다.

이들은 빠른 게이트 연산과 강력한 결합 덕분에 게이트 기반 양자 컴퓨팅에서 탁월한 성능을 발휘합니다. 초전도 큐비트의 두 가지 특정 하위 클래스로는 IBM, 구글, 리게티(Rigetti)에서 흔히 사용하는 션트 커패시터가 포함된 조셉슨 접합인 트랜스몬(transmon) 큐비트와, 자기 선속으로 제어되는 조셉슨 접합인 플럭스(flux) 큐비트가 있습니다. 트랜스몬 큐비트는 최적화 문제에 필요한 에너지 지형을 만들기 위해 쉽게 결합할 수 있기 때문에 D-Wave의 양자 어닐러에서 활용됩니다.

두 유형의 초전도 큐비트는 각각 다른 장점을 가지고 있습니다. 예를 들어, 트랜스몬은 노이즈 민감도가 낮고 제조 확장성이 뛰어난 반면, 플럭스 큐비트는 강력한 튜닝 기능과 잘 분리된 에너지 레벨을 가지고 있습니다. 초전도 시스템은 단열 양자 컴퓨팅에도 효과적입니다.

트랩 이온 큐비트는 뛰어난 결맞음 시간과 높은 충실도의 연산을 제공하므로 게이트 기반 양자 컴퓨팅에 매우 적합합니다. 이 큐비트들은 전자기장을 사용하여 공간에 부유하는 이온들로, 양자 상태를 제어하고 조작할 수 있게 합니다. IonQ나 하니웰(Honeywell)과 같은 기업들은 범용 양자 컴퓨팅을 위해 트랩 이온을 활용하며, 원자를 큐비트로 사용하기 때문에 원자 및 분자 시스템과 같은 양자 시뮬레이션에 탁월합니다.

광자 큐비트는 실온에서 결맞음을 유지하고 쉽게 측정할 수 있는 개별 광자에 인코딩된 정보를 사용하기 때문에 측정 기반 양자 컴퓨팅에 독보적인 위치를 차지합니다. 자나두(Xanadu)와 PsiQuantum 같은 기업들이 광자 접근 방식에 집중하고 있습니다.

Spin qubits in quantum dots or other solid-state systems are increasingly important for gate-based quantum computing, with companies like Intel investing heavily in silicon spin qubits. These systems are attractive for materials science applications since the qubits themselves are spins. Their compatibility with conventional manufacturing makes them promising for scalable quantum processors, though they currently face challenges with control and coherence.

위상 큐비트는 게이트 기반 양자 컴퓨팅에서 결함 허용을 위해 설계된 매우 전문화된 접근 방식을 나타냅니다. 마이크로소프트의 마요라나 1 칩을 이용한 접근 방식은 전자의 수를 1의 차이까지 정확하게 계산하는 복잡한 계수 방법이며, 그 차이가 고전적 컴퓨팅 의미에서의 0 또는 1이 됩니다. 이는 초전도 나노와이어에서 생성된 양자 상태를 칩에 내장된 양자점의 상태와 결합한 다음 마이크로파로 해당 상태를 읽음으로써 수행됩니다. 그 파동은 나노와이어의 양자 상태에 대한 흔적을 담고 있습니다. 현재까지 마이크로소프트만이 위상 칩을 구현했지만, 이를 달성하는 데 거의 40년이 걸렸습니다.

양자 컴퓨팅 방식과 큐비트 유형은 밀접하게 연결되어 있으며, 어떤 기업들이 다양한 접근 방식을 사용하여 각자의 기능적인 양자 컴퓨터를 만들고 있는지 확인할 수 있습니다(그림 3 참조).

또한 CAS 콘텐츠 컬렉션에서 5가지 주요 큐비트 유형과 관련된 큐비트 연구를 조사했습니다. 전 세계의 화학 및 관련 과학 데이터를 집계하는 CAS SciFinder®를 사용하여 초전도 및 스핀 큐비트에 관한 출판물이 놀라운 성장세를 보이고 있음을 확인했습니다(그림 4 참조).

나머지 세 가지 큐비트 유형(광자, 이온 트랩, 위상)은 상대적으로 연구 활동이 적은 틈새 분야를 나타냅니다. 전반적인 추세를 보면 지금까지는 초전도 및 스핀 큐비트가 양자 컴퓨팅 연구 환경을 주도해 왔지만, 마이크로소프트의 최근 개발 성과로 인해 향후 몇 년 내에 위상 큐비트 관련 추세가 변화할 가능성이 있습니다.

그림 4에 나타난 출판물 추세는 전 세계의 화학 및 관련 과학 데이터를 집계하는 CAS SciFinder를 사용하여 분석되었습니다.유사한 추세를 탐색하는 연구자들은 AI 기반 검색 기능을 활용하여 특정 연구 분야의 패턴을 파악할 수 있습니다.

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큐비트는 어떤 재료로 만들어질까요?

큐비트의 재료를 분석하여 가장 두드러진 물질들을 분류했습니다(그림 5A 참조). 원소 실리콘(Si)과 실리콘 합금(Ge,Si)은 기판, 이종 구조 층, 반도체 상호 연결 및 실리콘 기반 양자점의 유용성 덕분에 각 범주에서 문서 수 기준 최상위 재료를 차지하고 있습니다.  
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알루미늄 또한 초전도 큐비트 연구의 성장으로 인해 널리 사용되고 있습니다. 예를 들어, 구글의 이전 Sycamore 양자 칩과 마이크로소프트의 Majorana 1 칩에서 초전도체로 사용되었습니다.  

그 외에도 많은 무기 재료가 존재하며, 특히 주기율표 13족과 15족에 해당하는 III-V족 반도체 유형(갈륨 비소, 알루미늄 갈륨 비소, 인듐 비소, 갈륨 인듐 비소 등)이 포함됩니다. 이러한 비소 화합물 재료는 특정 에너지를 가진 광자를 단일 개수로 생성하는 데 탁월하여 단일 광자 방출기라고도 불립니다. 이로 인해 광자 큐비트, 특히 양자점 기반 광자 큐비트에 유용합니다. 최근에는 스핀 양자점 큐비트에도 활용되고 있습니다.  

다이아몬드는 독특한 구조로 인해 문헌에서 자주 언급되는 탄소의 동소체입니다. 핵 관점에서 볼 때, 탄소 원자는 변형되지 않는 고체 격자 내에 위치하며, 특정 금속 및 동위원소로 탄소를 치환하면 다이아몬드는 큐비트 연구를 위한 모델 기판으로 작용합니다.  

문헌에서 고분자(폴리머)가 언급되는 것이 놀라울 수 있지만, 이는 큐비트 구성 요소가 아니라 하우징을 위한 것입니다. 고분자는 불순물과 고체 상태 결함이 너무 많아 상용 QPU의 큐비트로 사용될 수 없습니다. 그러나 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)는 투명한 방탄 플라스틱에, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 화학적 및 기계적 내성 때문에 널리 사용됩니다.  

또한 분석 결과, 매우 고가이며 희소성이 높은 금속인 희토류 금속(REM)의 존재도 확인되었습니다. 이는 전통적인 컴퓨터 칩의 메모리 구성 요소부터 마이크로폰, 첨단 영상 장비에 이르기까지 다양한 응용 분야의 자석에 이르기까지 많은 마이크로 전자 기술에 필수적입니다.  

희토류 금속과 그 상대적 함량은 전체 특허 및 학술지 문서 수를 기준으로 계산되어 그림 5B에 제시되었습니다. 상위 5개 희토류 금속은 내림차순으로 이테르븀 동위원소 Yb-171(35.9%), 원소 이테르븀 Yb(12.5%), 에르븀 Er(12.2%), 유로퓸 Eu(7.1%), 네오디뮴 Nd(6.8%)입니다. 그 외 프라세오디뮴, 가돌리늄, 이테르븀-174, 디스프로슘 등은 5.4% 미만입니다. 기타(5%)는 수치가 낮은 다양한 동위원소와 이온을 포함합니다.  

Yb-171은 긴 결맞음 시간, 좁은 광학 전이, 안정적인 핵스핀 특성 덕분에 큐비트 종으로 널리 사용됩니다. 예를 들어, eleQtron과 IonQ의 이온 트랩 양자 컴퓨터에 사용됩니다. 원소 이테르븀(Yb) 또한 환경 노이즈를 줄여주는 깊게 차폐된 4f 껍질 전자 덕분에 고결맞음 큐비트를 제공합니다. Atom Computing은 중성 원자 양자 컴퓨터에 Yb를 사용하는 특허를 보유하고 있습니다. 화웨이는 광학적 판독을 위해 나노섬유를 사용하는 양자 컴퓨팅 시스템을 설계했으며, 막스 플랑크 연구소는 첨단 광학 트랩 상태에서 Yb를 사용하는 특허를 취득했습니다.  

에르븀(Er)은 시카고 대학을 비롯한 여러 기관에서 통신 파장(1.5μm)에서 직접 작동하여 스핀과 광자 인터페이스를 연결하는 분자 큐비트용으로 사용해 왔습니다. 이를 통해 미래의 양자 인터넷을 위한 기존 광섬유 인프라와 직접 통합할 수 있습니다. 허난 대학은 이를 양자 기반 광원으로 사용하는 특허를 보유하고 있으며, Quantum Source Labs는 이를 광자 큐비트의 일부로 사용하는 특허를 취득했습니다.  

Eu와 Nd는 모두 양자 메모리 구성 요소에 이상적인 놀라운 자기적 특성을 보여줍니다. 일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스에서는 저장 시간을 최대 800나노초까지 늘리는 연구를 진행했으며, 워릭 대학교에서는 Eu를 다이아몬드 기판에 내장하여 희토류 도핑 레이저 결정 구성 요소로 활용하고 있습니다. 미 해군은 Nd를 양자 얽힘 광자 큐비트에 사용하는 특허를 보유하고 있습니다.  

현재와 미래의 양자 컴퓨터

양자 컴퓨팅은 이제 학술 연구가 실제 상용 제품으로 전환되는 단계에 있습니다. 표 1은 주요 기업의 큐비트 유형 및 수, 그리고 컴퓨터와 양자 클라우드 서비스의 공개 여부를 상세히 보여줍니다.  

마이크로소프트(Majorana 1), 구글(Sycamore, Willow), 아마존(Ocelot)은 모두 고유한 유형의 QPU를 개발했지만, 협력 파트너십 외에 일반 대중이 사용할 수 있는 것은 없습니다. 반면 IBM, D-Wave, Rigetti, Quantinuum, IonQ는 모두 클라우드를 통해 양자 컴퓨터에 접근할 수 있도록 지원합니다. Origin Quantum은 AI 통합 옵션이 있는 자체 클라우드 기반 QPU를 보유하고 있습니다. Xanadu는 클라우드 전용 QPU를 개발했으며, 인텔과 PsiQuantum은 현재 독립형 QPU를 제공합니다.  

큐비트 측면에서 PsiQuantum은 호주, 미국, 영국 3개국에 시설을 구축하여 약 100만 개의 큐비트를 온라인화하고 있으며, D-Wave는 현재 기기당 4400개 이상의 큐비트 시스템을 제공한다고 주장합니다. 아마존의 Ocelot(구체적으로 Amazon Web Service, AWS) 큐비트는 칩당 5개의 큐비트만 탑재되어 있지만, 큐비트 위상 및 발진기 강도에 집중하여 확장 가능하도록 설계되었습니다.  

이러한 실제 큐비트 시스템은 양자 과학이 단순히 연구 단계에 머무르지 않고 테스트 및 비공개 파트너십을 넘어 개발되고 있음을 보여줍니다. 일부 기업은 구독 및 요금제를 제공하여 이러한 양자 컴퓨터 중 일부를 실시간으로 대중이 이용할 수 있도록 하고 있습니다.  

최근 공개된 양자 컴퓨터의 수를 보면 이 기술이 얼마나 발전했는지 알 수 있습니다. 특허 출원 건수는 상대적으로 적지만, 전 세계 양자 컴퓨팅 시장은 2030년까지 40억 달러 규모로 성장할 것으로 전망됩니다. 이는 큐비트 유형이나 양자 접근 방식과 관계없이 이 분야가 얼마나 가치 있는지를 잘 보여줍니다.

고가의 희토류든 비교적 흔한 알루미늄이든, 사용되는 다양한 소재는 특정 큐비트의 경제성과 성장성에 영향을 미칠 것입니다. 하지만 양자 컴퓨팅의 전반적인 미래는 여전히 밝으며, 신약 개발과 소재 과학 분야의 획기적인 발전을 위한 기회도 함께 커지고 있습니다. 이러한 성장은 이미 단기적인 인프라 변화에 반영되고 있습니다. 양자 이후의 암호화 체계가 TLS와 같은 네트워크 보안 프로토콜에서 평가 및 배포되고, 운영 체제 커널에 통합되며, 사이버 보안에 대한 미래의 양자 위협을 완화하기 위해 보안 하드웨어 및 암호화 모듈에 도입되고 있습니다.