지난해 구글(Google )의 초전도체 양자 기계의 ‘양자 이점(quantum advantage)’ 달성 주장 이후 전기장에 갇힌 이온(trapped-ion)을 사용하는 대안이 상용 양자 컴퓨터 접근법으로 주목을 받는다.

올해 초, 기술 및 제조 회사 하니웰(Honeywell)은 10년 이상 조용히 작업해온 양자 비트 또는 ‘큐비트(qubits)’의 기반으로 갇힌 이온을 사용하는 최초의 양자 컴퓨터를 출시했다. 미국 노스캐롤라이나주 샬럿에 본사가있는 하니웰은 출시 7개월 후인 10월에 업그레이드 된 양자 기계를 공개했다.

지난달 메릴랜드 대학의 스핀 아웃 회사 ‘IonQ’는 IBM이나 Google과 경쟁을 위해 이온포획 양자 컴퓨터를 발표했다. 영국에 기반을 둔 ‘Universal Quantum‘ 및 오스트리아 인스브루크의 ‘Alpine Quantum Technology’와 같은 소규모 스핀 아웃 회사들도 이온포획 장치 프로젝트에 대한 투자를 유치하고 있다.

이온포획 양자 컴퓨터는 새로운 것과는 거리가 멀다. 19951년 초전도 루프를 사용하기 훨씬 전인 최초의 기본 양자 회로에서 큐비트의 기초였다.

양자 컴퓨터 구축 기술을 네이처(Nature)가 조명, 이온포획 시스템이 상용 양자 컴퓨터 개발에 추진력을 얻고 있다고 분석했다.

양자 컴퓨팅은 아직 초기 단계에 있으며, 여러 회사가 양자 컴퓨터가 가장 앞선 것이라고 주장하기 위해 경쟁하고 있지만 어떤 유형의 하드웨어가 우세할 것인지 말하기에는 너무 이르다. 기업이 다양한 기술을 수용함에 따라 양자 컴퓨터 개발 전선은 그 어느 때 보다 넓어졌다.

얽힘(entanglement) 양자 현상을 통해 큐비트 상태가 서로 얽힐 수 있으며, 파동과 같은 양자 상태의 간섭으로 양자 컴퓨터가 수행할 수 있어 최고의 클래식 머신보다 기하 급수적으로 빠르게 계산할 수 있다.

초전도 루프의 진동 또는 이온의 에너지 수준과 같은 두 가지 가능한 양자 기계적 상태를 가진 모든 시스템은 큐비트를 형성 할 수 있지만 모든 하드웨어 유형에는 장단점이 있으며 각각 완전한 양자를 형성하는 데 상당한 장애물이 있다. 상용화를 위해서는 수백만 개의 큐 비트를 필요로한다.

규모가 유일한 문제는 아니다. 큐비트의 품질과 이들이 서로 얼마나 잘 연결돼 있는지도 마찬가지로 중요하다.노이즈로 인한 섬세한 큐비트와 그 연산의 오류 빈도는 더 많이 연결될수록 증가하는 경향이 있다. 수백만 큐 비트를 함께 계산하려면 각각 오류가 오류 수정이라고하는 프로세스에서 오류를 감지하고 수정할 수 있을만큼 충분히 낮은 오류율로 작업해야한다. 하지만 물리학 자들은 더 작고 잡음이 많은 시스템이 단기적으로 유용할 것으로 기대한다.

10월 IonQ가 처음으로 그들의 최신 기계가 4백만의 양자 볼륨(quantum volumn)을 가질 것으로 예상했으며 이는 입증된다면 Honeywell의 기록을 능가 할 것이라고 주장했다.

Google은 지난해 54 큐비트 기계를 공개하고 ‘양자 우위’ 달성을 주장했다. 양자 우위는 양자 컴퓨터의 성공에 대한 진정한 척도로 여겨졌다.

지난 몇 년 동안 Google과 IBM 등은 약 50개 이상의 고품질 큐비트를 가진 기계를 개발했다. IBM은 2023년까지 1,000 큐비트 머신을 보유하는 것을 목표로 한다.

또다른 접근인 전기장에있는 개별 하전된 원자의 에너지 수준에 정보를 저장하는 이온포획 큐비트는 많은 고유한 장점을 가지고 있다고 헬싱키 대학의 양자 물리학자 사브리나 마니스칼코(Sabrina Maniscalco)는 말한다.

이들의 작동은 오류의 가능성이 훨씬 적고 개별 이온의 섬세한 양자 상태는 비록 작지만 여전히 매우 많은 수의 원자로 구성된 초전도 큐비트에서보다 오래 지속한다. 더욱이 초전도 큐비트는 가장 가까운 이웃과 만 상호 작용하는 경향이있는 반면, 갇힌 이온은 다른 많은 이온과 상호 작용할 수 있으므로 복잡한 계산을 더 쉽게 실행할 수 있다.

그러나 갇힌 이온에는 단점이 있다. 초전도 큐비트보다 상호 작용 속도가 더 느리기 때문에 시스템에서 발생하는 실시간 오류를 설명할 때 중요 할 것이라고 뉴욕에 위치한 양자 소프트웨어 회사 튜링(Turing)의 설립자 마이클 레일리(Michele Reilly)는 말한다. 그리고 하나의 트랩에 들어갈 수 있고 상호 작용할 수 있는 이온 수에는 제한이 있다.

IonQ의 최신 모델에는 체인에있는 32 개의 갇힌 이온이 포함됐다. 레이저를 사용해 상호 작용한다. 수백 큐 비트까지 확장하기 위해 이 회사는 광자를 사용해 큐비트의 여러 체인을 연결하는 방법을 연구하고 있다. 이 회사는 매년 큐비트 수를 두 배로 늘리는 것을 목표로한다.

“필요한 것은 모든 것을 통합하고 테스트하고 문제를 해결하는 시스템 수준의 통합 접근 방식”

한편, Honeywell은 1990년대 후반 NIST에서 처음 개발된 아이디어 인 거대한 칩 주위에 물리적으로 이온을 이동시켜 모든 이온을 서로 상호 연결할 계획이다. 하니웰 HQS(Hywell Quantum Solutions) 부서의 최신 시스템 인 H1은 10 큐비트로 구성돼 있지만 수석 과학자 페티 리(Patty Lee)는 회사가 이미 다음 반복 작업을 진행 중이라고 말한다. HQS의 사장 토리 유틀리(Tony Uttley)에 따르면 향후 5년 동안 약 20큐비트를 연결할 계획이다.

문제는 큐비트의 품질과 정밀도를 유지하면서 동시에 수십 또는 수백 개를 제어하는 것이다. 네덜란드 델프트 공대 이론 물리학자 바바라 텔할(Barbara Terhal)은 필요한 구성 요소 중 많은 부분이 개별적으로 완성됐지만 “필요한 것은 모든 것을 통합하고 테스트하고 문제를 해결하는 시스템 수준의 통합 접근 방식”이라고 지적한다.