3화. 양자 컴퓨터의 발전: 다양한 방식을 통한 큐비트의 구현

○ 양자 컴퓨터는 큐비트의 숫자가 많아질수록 한 번에 계산할 수 있는 경우가 늘어나므로, 다양한 연구기관 및 기업에서 큐비트를 어떻게 구현할 지 다양한 플랫폼 영역에서 개발을 진행중⁹. 큐비트의 개수와 연산 정확도 측면에서 초전도체 회로 방식과 이온(트랩) 방식이 우위에 있음

○ 초전도체 회로 방식: 현재 기술적으로 가장 앞서 있으며, 가장 많이 사용되고 있는 방식

• 구글, IBM 등이 사용하고 있는 방식으로 금속 등을 매우 낮은 온도로 냉각하면 전기저항이 0이 되는 초전도 현상을 이용하여 금속 안에서 전자가 자유롭게 이동할 수 있다는 점에 착안. 전극 두 장을 서로 마주하는 구조로 만들고 전자가 어느 쪽의 전극에 있는지를 0과 1로 표현하는 방식으로 큐비트를 구현

• 극저온인 -273℃ 까지 냉각하는 초거대 냉동기(가로·세로·높이 약 2m)가 필요하며 열/진동/자기장 등 외부 요소를 차단하기 위해 구리·알루미늄과 같은 통을 겹겹이 씌우고 있으며, 양자를 제어하기 위한 복잡한 선들이 연결됨. 양자 컴퓨터의 가장 중앙 부분(사진에 사각형으로 표시)에 양자 칩이 위치

○ 이온(트랩) 방식: 초전도체 방식보다 더욱 오랜 기간 연구되고 있는 주요 개발 방식

• 미국의 IonQ, Honeywell 등에서 사용하는 방식으로 전하를 가지는 이온을 전자기장을 이용해 공중에 트랩한 후 레이저광에 의해 이온을 조작하여 이온의 궤도 운동을 통해 이온이 어느 쪽 궤도에 있는지를 0과 1로 표현하는 방식으로 큐비트를 구현

• 불필요한 원자나 분자가 없는 진공 용기에 이온을 포획하여 제어하며, 자연에 원래 존재하는 이온을 이용하므로 큐비트를 안정적으로 구현 가능. 이온 하나가 1큐비트를 구현

○ 반도체 방식: 고품질 반도체 제조기술과 나노미터 크기의 부품 가공 기술 등을 활용한 방식

• 반도체 제조사인 인텔이 선도하는 방식으로 트랜지스터와 흡사한 반도체 소자의 게이트 구조에 전자나 입자를 가두고 전자 한 개가 가지는 자성의 두 방향으로 큐비트 구현

• 기존의 반도체 기술을 활용하여 작은 크기로 많은 양의 큐비트를 고밀도로 집적할 수 있으리라는 기대를 받고 있으나, 초전도체 방식과 마찬가지로 양자의 성질을 유지하기 위해 매우 낮은 온도를 유지할 필요

○ 광자 방식: 빛을 구성하는 광자를 이용하는 광학에 기반한 방식으로 확장성 측면에서 주목

• 미국의 PsiQuantum, 캐나다의 Xanadu 등에서 사용하는 방식으로 빛이 입자와 파동의 성질을 가지며 대기중에서도 약해지지 않고 멀리까지 보낼 수 있는 특성을 활용, 파동의 진동방향을 세로는 0, 가로는 1로 표현하는 방식으로 큐비트를 구현

• 저온이나 진공상태가 아닌 상온의 공기중에서도 작동한다는 점에서 주목을 받고 있음

○ 그 외 인공적으로 합성한 다이아몬드 소재를 활용하는 다이아몬드 센터 방식이나 리드버그원자¹⁰들을 이용해 조합 최적화 문제 등에 혁신적인 도움을 줄 수 있는 리드버그(Rydberg) 방식 등 다양한 방식으로 연구 개발이 진행중