마요라나1 위상적 큐비트 칩 회의론 : 혁신과 의문

과학계에 큰 파장을 일으킨 대담한 발표가 있었다. 마이크로소프트가 세계 최초 위상적 큐비트 칩을 공개한 것.

이 프로세서는 새로운 물질을 활용하여 안정적인 큐비트를 구현하는 기술로, 최대 100만 개의 큐비트를 단일 칩에 통합할 수 있는 가능성을 제시했다. 사실이라면, 양자 컴퓨팅 분야에서 혁신적인 변화를 가져올 수 있다.

그러나 이번 발표와 동시에 과학계 일각은 회의적인 시선을 보이며 과학적 근거에 대한 의문을 제기하고 있다.

세계 최초 토폴로지적 큐비트 기반 양자 프로세서 ‘Majorana 1’

마이크로소프트(Microsoft)는 2025년 2월 19일(현지시각), 양자 컴퓨터의 새로운 시대를 열 수 있는 ‘위상 양자 비트(topological qubit)’를 최초로 개발했다고 발표했다. 이 새로운 큐비트는 양자 정보의 오류 즉 ‘잡음(noise)’에 대한 내성이 높아 대규모 양자 컴퓨터 구현에 유리하다고 알려져 있다.

일부 연구자들이 마이크로소프트의 주장을 회의적으로 검토 중인 데에는 이유가 있다. 2021년 네덜란드 델프트 공대의 마이크로소프트 지원 팀이 ‘마요라나 준입자(Majorana quasiparticles)’ 존재를 주장했으나, 후에 해당 연구를 철회한 전례가 있기 때문이다.

마이크로소프트의 연구 책임자 체탄 나약(Chetan Nayak)은 이러한 우려에 대해 “우리는 다양한 측정을 수행하여 결과의 신뢰성을 높이고 있다”며, “비토폴로지적 설명은 점점 더 많은 조정이 필요할 것”이라고 영국 가디언 인터뷰에서 주장했다.

마이크로소프트 체탄 나약은 두 개의 나노와이어를 결합하여 두 가지 상태의 중첩을 만드는 후속 실험을 수행했다고 주장했다. 그러나 이러한 실험이 위상 상태를 기반으로 한 큐비트임을 즉각적으로 증명하는 것은 어렵다는 의견도 있다.

위상적 큐비트의 잠재력은 매력적이지만, 그 개발은 오랫동안 양자 연구자들에게 어려운 목표였다.

마이크로소프트의 주장의 핵심에는 마요라나 준입자(Majorana quasiparticles)라는 개념이 있다. 이는 초전도 나노와이어의 끝에서 존재한다고 이론적으로 제시된 이례적인 입자들로, ‘위상적(topological)’ 상태를 나타낸다고 알려져 있다. 이러한 상태는 전통적인 큐비트와 달리 환경적 방해로부터 오류에 강한 특성을 가진다. 만약 성공적으로 활용된다면, 고전적인 컴퓨터를 능가하는 양자 컴퓨터의 튼튼한 기초가 될 수 있다.

지난달 19일 함께 발표된 네이처(Nature) 저널 논문에서는 실험에 사용된 나노와이어가 추가적인 비결합 전자를 보유하고 있다는 데이터를 제시했으며, 이는 마요라나 준입자 형성의 중요한 단계로 간주된다. 그러나 이 논문은 마요라나 준입자의 존재를 결정적으로 입증하는 데에는 미치지 못한다. 사실, 네이처의 편집팀은 논문에서 “마요라나 제로 모드(Majorana zero modes)의 존재를 증명하는 증거는 없다”고 명시하며, 위상적 큐비트의 핵심이 되는 존재가 확인되지 않았음을 분명히 했다.

이러한 생략은 쉽게 간과되지 않았다. 영국 옥스퍼드 대학교의 이론 물리학자 스티븐 사이먼(Steven Simon)은 데이터를 조심스럽게 지지했지만, 그 결과에 대한 불확실성을 강조했다. 마이크로소프트 연구자들이 주최한 비공개 브리핑에 참석한 사이먼은 “그들이 보고 있는 것이 맞다고 제 생명을 걸 수는 없지만, 꽤 괜찮아 보인다”고 말했다. 이와 같은 발언은 과학계에서 해당 증거가 결코 확실하지 않다는 공감을 반영하고 있다.

위상적 큐비트 연구의 역사적 배경도 이번 의심을 더욱 강화한다. 2018년, 마이크로소프트를 포함한 연구팀은 마요라나 준입자를 발견했다고 주장했으나, 추가적인 검토 결과 결맞음 문제로 연구 결과를 철회해야 했다. 이러한 실패한 약속의 배경은 이번 주장을 더욱 신뢰하기 어려운 요소로 작용하고 있다.

더욱이 일부 연구자들은 마이크로소프트가 동료 검토를 거친 증거 없이 너무 대담한 공개 발표를 했다고 비판하고 있다. 스위스 바젤 대학교의 물리학자 다니엘 로스(Daniel Loss)는 “마이크로소프트가 추가 데이터를 확보할 때까지 기다린 후 발표를 하는 것이 더 책임감 있었을 것”이라며, “큐비트 작업에서 얻은 추가 데이터를 보기 전에는 논평할 수 있는 것이 없다”고 지적했다.

과학에서 동료 검토(peer review)의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않으며, 일부 전문가들은 마이크로소프트의 공개적인 발언이 너무 성급하다고 주장하고 있다. 영국 서섹스 대학교의 양자 컴퓨터 전문가 윈프리드 헨싱어(Winfried Hensinger)는 “검증되지 않은 주장을 보도자료에서 발표하는 것은 이 분야의 신뢰성을 훼손할 수 있다”며 “이러한 주장을 하지 말아야 한다. 이는 이 분야에 큰 피해를 줄 것”이라고 경고했다. 이는 과도한 기대를 불러일으켜 추가 연구를 저해할 수 있다는 우려를 반영한 발언이다.

이러한 우려에도 불구하고, 많은 과학자들은 마이크로소프트의 연구가 양자 컴퓨터의 재료 과학 및 제작 측면에서 중요한 성과를 나타낸 것으로 인정하고 있다. 전자 상태의 패리티(parity)를 정밀하게 측정하는 회사의 능력은 중요한 진전을 의미한다.

미국 아르곤 국립 연구소의 아이바르 마틴(Ivar Martin)은 “마요라나 준입자가 실제로 존재한다고 하더라도, 확장 가능한 위상적 양자 컴퓨터로 가는 길은 여전히 많은 도전과제가 남아 있다”고 지적했다. 마이크로소프트가 구상하는 것처럼 수백만 개의 큐비트를 확장하려면 엄청난 기술적 장애물을 극복해야 한다.

이들을 포함한 다수 연구자들은 마이크로소프트의 위상적 큐비트 연구는 올바른 방향으로 나아가고 있는 중요한 단계임은 틀림없지만, 현재의 증거만으로는 회사의 대담한 주장을 뒷받침하기에는 부족하다고 지적한다. 위상적 양자 컴퓨터의 가능성은 부인할 수 없지만, 현재로서는 이론에서 현실로 넘어가는 과정이 여전히 큰 도전 과제로 남아 있다.