양자컴퓨터 6100개 큐비트 배열 성공, 99.98% 정확도

양자 컴퓨터는 물리학, 화학 등 복잡한 난제를 해결할 잠재력을 지니고 있다. 일반적인 컴퓨터의 비트와 달리, 양자 컴퓨터의 기본 단위인 큐비트(Qubit)는 0과 1 상태를 동시에 가질 수 있는 중첩(Superposition) 현상을 활용해 연산 속도를 획기적으로 높인다. 하지만 큐비트는 매우 불안정하여 외부 자극에 쉽게 오류가 발생한다.

이러한 문제를 해결하기 위해 과학자들은 오류 정정을 위한 여분의 큐비트를 추가하며, 견고한 양자 컴퓨터를 개발하고 있다. 궁극적으로 수십만 개의 큐비트가 필요하다. 이를 위해 글로벌 양자 기업과 각국의 주요 연구 기관들이 경쟁적으로 양자 컴퓨터의 규모를 확장하는 중이다.

중성 원자 큐비트 배열 신기록

최근 미국 켈리포니아 공대(Caltech) 물리학자들이 상용 양자 컴퓨팅 개발 경쟁에서 새로운 성과를 달성했다. 레이저를 이용해 6,100개의 중성 원자 큐비트(Neutral-atom qubits)를 격자 형태로 배열하는 데 성공한 것이다. 이는 기존의 중성 원자 배열이 수백 개 수준에 그쳤던 것에 비하면 놀라운 발전이다.

이번 연구는 과학 저널 ‘네이처(Nature)’에 게재됐다. 연구를 주도한 칼텍 물리학 교수 마누엘 엔드레스(Manuel Endres)는 “이제 대규모 오류 정정 양자 컴퓨터로 가는 길이 보인다”며 기대감을 나타냈다.

양과 질 동시 충족한 성과

이번 연구는 단순히 큐비트의 수를 늘린 데 그치지 않는다. 연구팀은 6,100개가 넘는 큐비트를 배열해 중첩 상태를 약 13초 동안 유지하는 데 성공했다. 이는 기존 유사 배열의 유지 시간보다 거의 10배나 긴 시간이다. 또한, 개별 큐비트를 99.98%의 정확도로 제어할 수 있음을 입증했다.

연구팀의 한나 마네치(Hannah Manetsch)는 “화면에서 각 큐비트가 빛의 점으로 보이는 것은 대규모 양자 하드웨어의 놀라운 이미지”라고 말했다. 다른 연구원인 교헤이 노무라(Gyohei Nomura)는 “규모가 커지면 정확성이 떨어진다는 통념을 깼다. 우리는 양과 질을 모두 확보했다”고 강조했다.

큐비트 이동 기술로 오류 정정 효율 향상

이번 연구에서는 큐비트가 중첩 상태를 유지하며 수백 마이크로미터(micrometer)까지 이동할 수 있다는 사실도 입증했다. 이는 회로에 고정된 초전도 큐비트와 달리, 중성 원자 기반 양자 컴퓨터의 강점 중 하나이다. 큐비트를 이동시키는 능력은 오류 정정 작업을 더욱 효율적으로 만들어 준다.

마네치는 “원자를 이동시키면서 중첩 상태를 유지하는 것은 마치 뛰어가면서 물이 담긴 컵의 균형을 잡는 것과 같다”며 기술의 어려움을 비유했다. 앞으로 연구팀은 이 배열의 큐비트들을 얽힘(Entanglement) 상태로 연결해 본격적인 양자 연산을 시작할 계획이다. 얽힘은 양자 컴퓨터가 단순히 정보를 저장하는 것을 넘어, 자연의 복잡한 현상들을 시뮬레이션할 수 있게 해주는 궁극적인 힘이다.

이러한 기술 발전은 새로운 물질을 설계하고, 시공간을 지배하는 양자장을 모델링하는 등 인류의 과학적 발견을 가속화할 잠재력을 지니고 있다. 칼텍의 이번 성과는 수천 개의 물리적 큐비트 규모에서 양자 오류 정정을 구현하는 다음 목표에 중성 원자가 매우 강력한 후보임을 보여주며, 양자 기술의 밝은 미래를 예고한다.