양자 컴퓨터 상용화 앞당길 ‘모바일 큐비트’ 실리콘 칩 기술 개발
양자 컴퓨터는 오랫동안 미래 산업의 판도를 바꿀 차세대 기술로 주목받아 왔다. 기존 컴퓨터가 0과 1의 비트(bit)로 정보를 처리한다면, 양자 컴퓨터는 동시에 여러 상태를 표현할 수 있는 큐비트(qubit)를 이용해 복잡한 계산을 압도적으로 빠르게 수행할 수 있다. 신약 개발, 신소재 설계, 차세대 배터리 연구, 금융 모델링, 암호 해독 등 현재의 슈퍼컴퓨터로도 어려운 문제를 해결할 잠재력을 지닌 이유다.
그러나 양자 컴퓨터의 상용화는 생각만큼 빠르게 진행되지 못했다. 가장 큰 이유는 큐비트를 안정적으로 연결하고 확장하는 일이 극도로 어려웠기 때문이다. 지금까지 개발된 대부분의 양자 프로세서에서 큐비트는 칩 내부 특정 위치에 고정돼 있었고, 바로 인접한 큐비트와만 상호작용할 수 있었다. 이 구조에서는 시스템 규모가 커질수록 회로 설계가 복잡해지고 오류도 빠르게 증가한다. 결국 수많은 큐비트를 자유롭게 연결해 대규모 연산을 수행하는 데 근본적인 한계가 존재했다.
최근 국제 학술지 Nature에 발표된 연구는 이러한 문제를 해결할 새로운 가능성을 제시했다. 네덜란드 델프트공대(Delft University of Technology) 연구진은 실리콘 칩 위에서 큐비트를 실제로 이동시키는 ‘모바일 큐비트(Mobile Qubit)’ 기술을 구현하는 데 성공했다. 연구를 이끈 Lieven Vandersypen 교수팀은 전자를 칩 위에서 자유롭게 이동시키면서도 양자 정보를 유지하는 방법을 개발했다.
핵심은 ‘컨베이어 모드 셔틀링(conveyor-mode shuttling)’이라는 기술이다. 연구진은 실리콘 칩 위에 전자를 가두는 미세한 구조인 양자점(quantum dot)을 일렬로 배치한 뒤, 양 끝에 각각 전자를 위치시켰다. 이후 칩 내부 금속 게이트에 정교한 전압을 가해 이동하는 전기장 영역을 만들고, 이를 이용해 전자들을 칩 중앙으로 이동시켰다. 서로 가까워진 전자들은 양자 상태를 교환하며 2-큐비트 논리 연산을 수행했고, 다시 원래 위치로 돌아간 뒤에는 연산 결과를 성공적으로 읽어냈다.
더 놀라운 성과는 ‘양자 순간이동(quantum teleportation)’ 실험이었다. 연구진은 먼저 두 전자를 양자 얽힘 상태로 만든 뒤, 이들을 칩 내부 서로 다른 위치로 떨어뜨렸다. 이후 세 번째 큐비트를 이용해 얽힌 전자쌍 사이로 양자 정보를 전달했고, 그 결과 한 위치의 양자 상태를 다른 위치의 전자로 정확하게 전송하는 데 성공했다. 물질 자체가 이동한 것은 아니지만, 양자 정보가 공간적으로 분리된 위치에 전달됐다는 점에서 차세대 양자 네트워크 기술의 핵심 원리를 실험적으로 구현한 셈이다.
이번 연구가 더욱 주목받는 이유는 기술의 기반이 실리콘이라는 점이다. 현재 스마트폰과 PC, 데이터센터용 반도체에 사용되는 기존 CMOS 반도체 공정과 호환될 가능성이 크기 때문이다. 이는 양자 칩이 더 이상 실험실 수준의 특수 장비가 아니라, 향후 기존 반도체 산업 인프라를 활용해 대량 생산될 수 있음을 의미한다. 업계에서는 이를 양자 컴퓨터 상용화의 중요한 전환점으로 평가하고 있다.
물론 실제 상용 양자 컴퓨터가 일반 소비자의 일상에 들어오기까지는 여전히 해결해야 할 과제가 많다. 큐비트의 안정성 유지, 오류 보정, 극저온 환경 구축 등 기술적 난제는 여전히 남아 있다. 그럼에도 불구하고 이번 성과는 양자 컴퓨터의 확장성과 실용성을 크게 끌어올린 중요한 진전으로 평가된다.
연구진은 모바일 큐비트 기술이 미래 대규모 반도체 기반 양자 프로세서의 핵심 기능이 될 것으로 전망하고 있다. 고정된 위치에 묶여 있던 큐비트가 이제 실리콘 칩 위를 자유롭게 이동하기 시작하면서, 양자 컴퓨터는 점차 실험실을 벗어나 현실 세계로 다가오고 있다. 머지않아 양자 기술이 우리의 의료, 통신, 금융, 에너지 산업 전반을 바꾸는 시대가 본격적으로 열릴 가능성이 커지고 있다.
David is the Editor of The Science Monitor. Drawing on extensive experience as the former Public Affairs officer for the Republic of Korea (ROK) Navy, he provide in-depth analysis at the intersection of science, technology, global security, geopolitics, and maritime strategy.
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