중국, 세계 최초 ‘듀얼 코어’ 양자컴퓨터 공개

200개 큐비트 중성원자 플랫폼, 양자오류 정복 새 해법 될까

양자컴퓨터 개발 경쟁이 새로운 국면에 접어들고 있다. 미국과 유럽 기업들이 초전도체와 이온트랩 기술을 앞세워 성능 경쟁을 벌이는 가운데, 중국 연구진이 두 개의 독립적인 양자 프로세서를 하나의 시스템으로 결합한 ‘듀얼 코어’ 양자컴퓨터를 공개했다.

중국 우한에 본사를 둔 양자기술 기업 CAS Cold Atom Technology는 최근 ‘한위안-2(Hanyuan-2)’라는 이름의 중성원자 기반 양자컴퓨터를 발표했다. 회사 측은 이를 세계 최초의 듀얼 코어 양자컴퓨터라고 소개하며, 기존 양자컴퓨터의 가장 큰 난제인 오류율과 확장성 문제를 해결하기 위한 새로운 아키텍처라고 설명했다.

양자컴퓨터 가장 큰 적은 ‘노이즈’

양자컴퓨터는 큐비트(qubit)를 이용해 병렬 계산을 수행한다. 그러나 큐비트는 극도로 민감하다. 미세한 온도 변화나 전자기 간섭만으로도 양자 상태가 붕괴하는 ‘디코히런스(decoherence)’가 발생해 계산 결과가 무너질 수 있다.

현재 양자컴퓨터 업계의 핵심 과제는 더 많은 큐비트를 만드는 것이 아니라, 오류를 통제하면서도 안정적으로 확장할 수 있는 구조를 개발하는 데 있다.

구글과 IBM이 개발 중인 초전도 양자컴퓨터는 수백~수천 큐비트 규모로 발전하고 있지만, 극저온 냉각장치와 복잡한 오류보정 시스템이 필수적이다. 이에 따라 최근에는 중성원자를 활용한 새로운 접근법이 주목받고 있다.

두 개 양자 프로세서 서로 감시

한위안-2의 핵심은 ‘듀얼 코어’ 구조다.

시스템은 루비듐-87 원자 100개와 루비듐-85 원자 100개를 이용해 총 200개의 큐비트를 구성한다. 각각의 원자 집합은 독립적인 양자 프로세서 역할을 수행하며, 필요에 따라 병렬 연산 또는 주·보조 코어 방식으로 운용될 수 있다.

연구진은 두 코어가 동시에 계산을 수행해 처리량을 높일 수 있을 뿐 아니라, 한쪽 코어가 다른 쪽의 오류를 감시하고 보정하는 방식으로 더 안정적인 논리 큐비트(logical qubit)를 구현할 수 있다고 설명한다.

이는 현대 컴퓨터의 듀얼 프로세서 개념과 비슷하지만, 양자역학적 상태를 유지해야 하는 훨씬 복잡한 환경에서 구현된다는 점에서 의미가 다르다.

중성원자 플랫폼 부상

한위안-2가 채택한 중성원자 방식은 최근 양자컴퓨팅 업계에서 가장 빠르게 성장하는 기술 가운데 하나다.

중성원자는 전기적으로 중성이기 때문에 외부 환경과의 상호작용이 상대적으로 적다. 덕분에 양자 정보를 더 오랫동안 유지할 수 있으며, 초전도체 기반 시스템처럼 절대영도에 가까운 극저온 냉각장치도 필요하지 않다.

대신 레이저로 원자를 포획하는 광집게(optical tweezer) 기술을 활용한다.

최근 미국과 유럽 연구진은 수백 개 이상의 중성원자를 정밀하게 배열하고 제어하는 기술을 잇따라 발표했다. 특히 광집게 배열을 이용한 대규모 큐비트 제어 기술은 양자컴퓨터의 확장성을 크게 높일 수 있는 유력한 후보로 평가받고 있다.

한위안-2 역시 500개 이상의 광집게 배열을 사용하며, 소비전력은 7kW 이하로 알려졌다. 회사 측은 별도의 대형 극저온 설비 없이 일반 연구실 환경에서도 설치와 운영이 가능하다고 주장한다.

정말 ‘200큐비트 양자컴퓨터’일까

하지만 해외 전문가들은 아직 신중한 태도를 보이고 있다.

가장 큰 의문은 두 개의 원자 배열 사이에서 실제 양자 얽힘(entanglement)이 가능한지 여부다.

만약 두 코어가 완전히 독립적으로 동작한다면 이는 사실상 100큐비트 시스템 두 개를 연결한 것에 가깝다. 반면 두 배열이 하나의 양자 상태로 얽혀 작동한다면 실질적인 200큐비트 양자 프로세서로 평가받을 수 있다.

현재 공개된 자료에는 이에 대한 상세 설명이 포함되지 않았다.

또한 양자컴퓨터 성능 평가의 핵심 지표인 게이트 충실도(fidelity), 오류율(error rate), 논리 큐비트 구현 수준 등의 데이터도 공개되지 않았다.

일부 전문가들은 회사가 주장한 ‘100초 큐비트 수명’ 역시 매우 이례적인 수치라며 독립적인 검증이 필요하다고 지적한다.

양자컴퓨터 경쟁 새로운 방향

그럼에도 불구하고 한위안-2의 등장은 중요한 의미를 갖는다.

지금까지 양자컴퓨터 산업은 더 많은 큐비트를 확보하는 ‘규모 경쟁’에 집중해 왔다. 그러나 최근 학계에서는 단순한 큐비트 수 증가보다 오류 억제와 모듈형 아키텍처가 실용적 양자컴퓨터의 핵심이 될 것이라는 전망이 힘을 얻고 있다.

듀얼 코어 구조는 이러한 흐름과 맞닿아 있다. 하나의 거대한 양자 프로세서를 만드는 대신 여러 개의 양자 모듈을 연결해 확장하는 방식이다. 이는 미래의 수만~수십만 논리 큐비트 규모 양자컴퓨터 개발에도 적용될 수 있는 개념으로 평가된다.

물론 한위안-2가 실제로 이러한 비전을 구현했는지는 아직 확인되지 않았다. 성능 검증과 학술적 평가가 뒤따라야 한다.

하지만 이번 발표는 양자컴퓨터 경쟁이 단순한 큐비트 숫자 경쟁을 넘어, 보다 안정적이고 확장 가능한 아키텍처를 찾는 단계로 진입하고 있음을 보여주는 신호탄이 될 수 있다. 양자 오류를 극복하기 위한 새로운 실험이 본격적으로 시작된 것이다.