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- 100년 전, 물리학자들은 양자 물리학의 기초 확립
- 초전도 큐비트, 이온 양자컴퓨터, 다이아몬드 양자점까지 6가지 양자 기술 성숙도 비교
- 양자 컴퓨터로 사용될 경우 초전도 큐비트와 이온 트랩이 가장 발전된 형태
- 사용은 가능, 아직 성숙 단계에 이르지 못했다.
- 확장성과 효율성 문제, 현재 기술은 최초의 트랜지스터 시대와 유사

양자 기술은 언제쯤 일상생활에 적합하게 될까?
양자 컴퓨터, 양자 통신 등의 성숙도와 극복 과제

양자 컴퓨터, 양자 통신, 그리고 다른 양자 기술은 언제쯤 일상생활에 적합하게 될까? 그리고 어떤 양자 기술이 우위를 점하게 될까? 연구자들은 최근 "Science"에 관련 평가를 발표했다. 연구진에 따르면, 현재 양자 기술의 상태는 최초의 트랜지스터 시대와 유사하다. 초기 기술들은 이미 응용될 준비가 되었지만, 가장 큰 난관은 확장성과 효율성이다. 또한 초전도 큐비트와 이온 양자 컴퓨터부터 다이아몬드 양자점까지 여섯 가지 양자 기술의 성숙도를 비교했다. 

▲ 이 칩들은 최적화 문제에 특화된 시스템인 D-Wave 양자 어닐러의 일부다. 하지만 범용 양자 컴퓨터는 아니다. © Steve Jurvetson/ CC-by 2.0

100년 전, 물리학자들은 양자 물리학의 기초를 확립했다. 이제 최초의 응용 분야들이 등장하고 있다. 양자 컴퓨터는 일부 작업에서 슈퍼컴퓨터보다 성능이 뛰어나고, 얽힌 광자는 광섬유 케이블이나 궤도를 통해 양자 정보를 전송하며, 최초의 양자 센서, 양자 모뎀, 네트워크가 시험되고 있다.

양자 기술은 어디까지 발전했을까?

하지만 양자 기술은 실제로 어디까지 발전했을까? 가까운 미래에 사무실에서 양자 컴퓨터를, 아니면 모든 사람을 위한 양자 인터넷을 볼 수 있을까? 시카고 대학교의 데이비드 오샬롬(David Awschalom)이 이끄는 물리학자와 컴퓨터 과학자들로 구성된 연구팀은 이 질문에 대한 심도 있는 연구를 진행했다. 연구팀은 현재 개발 중인 6가지 양자 기술의 성숙도를 평가하고 가장 큰 난관과 과제가 어디에 있는지 탐구했다.

오샬롬은 "양자 기술은 지난 10년 동안 놀라운 발전을 이루었다"며 "근본적인 물리 개념이 확립되었고, 기능하는 시스템이 존재한다"고 말했다. 일부 분야에서는 이미 초기 실용화가 진행 중이다. 그는 "우리는 트랜지스터 초창기를 떠올리게 하는 격변의 시대에 살고 있다"고 설명했했다. "양자 기술이 같은 방식으로 발전할지는 확실하지 않지만, 컴퓨팅 역사에서 중요한 교훈을 얻을 수 있다.“

6가지 양자 플랫폼 비교

연구진은 먼저 6가지 선도적인, 그리고 경우에 따라 경쟁 관계에 있는 양자 기술이 얼마나 발전했는지 살펴보았다. 이를 위해 연구팀은 과학 출판물, 기술 보고서, 그리고 AI 기반 분석을 활용해 기술 준비 수준(TRL)을 평가했다. 1980년대 NASA에서 개발한 이 척도는 작동 원리의 이론적 개발(TRL 1~2)부터 초기 실험실 실험(TRL 3~4) 및 프로토타입(TRL 6~7), 그리고 성공적인 배치(TRL 8~9)까지 총 9단계로 구성된다.

비교 대상에는 구글이나 IBM의 양자 컴퓨터에서 발견되는 초전도 양자점 형태의 큐비트, 또는 이온 트랩과 중성 원자 기반의 큐비트가 포함되었다. 연구팀은 또한 반도체의 양자점, 다이아몬드 격자의 결함, 그리고 순수 광자 양자 플랫폼도 평가했다. 연구팀은 이러한 기술의 성숙도를 양자 컴퓨팅, 양자 센서, 양자 통신, 그리고 양자 시뮬레이션의 네 가지 영역으로 분류했다.

어떤 분야를 선도하고 있을까?

결과:
양자 컴퓨터로 사용될 경우 초전도 큐비트(TRL 6-8)와 이온 트랩(TRL 6-7)이 가장 발전된 형태다. 그러나 양자 시뮬레이션에서는 중성 원자(TRL 6-8)와 이온 트랩(TRL 6-7)이 선두를 달리고 있다. 양자 통신에서는 광자 시스템이 훨씬 높은 점수를 받아 성숙도 8-9에 도달했다. 연구진은 다이아몬드의 스핀 결함을 기반으로 한 양자 센서도 마찬가지로 발전된 것으로 평가했다. 이온 트랩 또한 이 범주에서 성숙도 6-8에 도달했다. 

▲ 초전도 양자점 기반 양자 시스템은 양자 컴퓨팅 분야를 선도하고 있다. © Bartlomiej Wroblewski/ Getty Images

그러나 매사추세츠 공과대학교(MIT)의 공동 저자인 윌리엄 올리버는 "양자 기술의 높은 성숙도가 목표 달성이나 기술 연구 완료를 의미하는 것은 아니다"고 강조했다. 오히려 이는 근본적인 적용 가능성이 입증되었음을 보여줄 뿐이다. 올리버는 "이 기술의 잠재력을 최대한 발휘하려면 아직 상당한 개선과 확장이 필요하다"고 덧붙였다.

사용은 가능, 아직 성숙 단계에 이르지 못했다.

이런 측면에서 양자 기술의 현재 상태는 1970년대 컴퓨터 시대가 시작되었을 때와 유사하다. 올리버는 "당시 반도체 칩의 성숙도는 7~9 수준이었지만 오늘날의 집적 회로에 비하면 여전히 매우 제한적이었다"고 말했다. 따라서 그의 관점에서 새로운 기술의 높은 TRL 값은 추가적인 최적화가 가치 있음을 나타낸다.

예를 들어, 연구원들은 "오늘날의 양자 컴퓨터 프로토타입은 클라우드를 통해 사용할 수 있으며 이미 연구 및 교육에 사용되고 있다"며 "그럼에도 불구하고, 더 광범위한 상업적 응용 분야에 필요한 오류 정정 기계에는 아직 미치지 못한다”고 설명했다.

양자 통신의 상황도 비슷하다. 초기 상용 응용 분야는 주로 양자 키 교환을 위한 것이다. 그러나 진정한 양자 암호화나 양자 인터넷을 위해서는 추가적인 개발이 필요하다. 아브샬롬과 그의 동료들은 "포괄적인 양자 기반 통신을 위해서는 현재 사용 가능한 것보다 훨씬 더 크고 강력한 큐비트 배열을 연결할 수 있는 양자 네트워크가 필요하다"고 기술했다.

확장성 문제

연구진은 양자 기술의 광범위한 도입을 가로막는 가장 큰 장애물은 확장성이라고 말한다. 예를 들어, 더욱 까다롭고 일상적인 애플리케이션을 위한 양자 컴퓨터는 수백만 개의 큐비트와 낮은 오류율을 필요로 하며, 이는 결코 쉬운 일이 아니다. 지금까지 큐비트는 특수 가디언 큐비트나 여러 개의 개별 큐비트를 결합해 컴퓨팅 장치를 구성해야 했다. 다른 양자 기술 또한 더욱 효율적이고 강력해져야 한다.

연구진에 따르면, 주요 장애물은 재료 및 생산 방식, 케이블링, 에너지 소비, 그리고 교정 및 제어라는 네 가지 영역에 있다. 생산 측면에서는 새로운 재료가 필요함에도 불구하고 기존 제조 방식을 기반으로 비용 효율적이면서도 정밀한 대량 생산 방식을 개발하는 것이 과제다. 제어는 더욱 효율적인 오류 감지 및 조작을 포함한다.

▲ 1971년경 출시된 이 인텔 프로세서는 작동은 했지만, 아직 완성되지는 않았다. 오늘날의 양자 기술도 마찬가지다. © Thomas Nguyen/ CC-by-sa 4.0

케이블 클러터에서 양자 냉장고까지

또 다른 난제는 케이블 연결이다. Avshalom과 그의 팀은 "대부분의 플랫폼은 조작, 제어, 신호 판독을 위해 큐비트당 1~3개의 채널을 필요로 한다"고 설명했다. 큐비트가 추가될 때마다 회선의 수가 늘어나는데, 수백만 개의 큐비트에서는 비현실적이다. 가능한 대안으로는 하나의 회선으로 여러 큐비트를 공급하는 다중화 또는 제어 전자 장치를 양자 배열에 더 많이 통합하는 것이 있다. 그러나 연구진은 두 가지 모두 여전히 해결해야 할 기술적 과제를 안고 있다고 말했다.

양자 기술은 또한 에너지 소비 측면에서 더 높은 효율성을 요구한다. 많은 양자 시스템은 절대 영도 바로 위까지 냉각해야 하므로 그에 상응하는 높은 전력 소비가 발생한다. 반면 이온 트랩이나 중성 원자 기반 시스템은 큐비트를 고정하고 조작하기 위해 강력한 레이저가 필요하다. 연구팀은 "이러한 기술이 더욱 발전함에 따라 크기와 전력 소비가 중요한 요소가 될 것"이라고 말했다.

모듈형 설계와 인내

연구진은 이러한 문제에 대한 한 가지 해결책으로 모듈성을 제시했다. "시스템을 모듈 방식으로 설계하면 확장을 더 관리하기 쉬운 부분으로 나눌 수 있다"고 그들은 설명한다. "이를 통해 케이블 연결, 크기, 전력 소비, 제어 문제를 개별 모듈의 문제로 제한할 수 있다." 이러한 병렬 운영은 또한 여러 개의 서로 다른 양자 시스템을 연결할 수 있게 하여 효율성과 오류 제어를 향상시킬 수 있다. 모듈형 양자 컴퓨팅에 대한 초기 실험은 이미 진행 중이다.

전반적으로 오샬롬(Awschalom)과 그의 팀은 과학자, 기술 기업, 정부 기관의 지속적인 참여를 전제로 양자 기술의 발전을 위한 좋은 기회를 보고 있다. 하지만 무엇보다도 중요한 것은 인내심이다. 연구진은 "인내심은 많은 획기적인 발전의 핵심 요소였다"고 기술했다. 컴퓨터, 박막 전자 기술부터 AI에 이르기까지 많은 기술이 그 가치를 입증하는 데 수십 년이 걸렸다. "따라서 양자 기술에 대한 기대치 또한 그에 따라 조정되어야 한다"고 연구진은 결론지었다.

 

참고: Science, 2025; doi: 10.1126/science.adz8659
출처: 시카고 대학교, Science

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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