중성 원자 양자 컴퓨팅: 2026년의 큰 도약

목표는 양자 컴퓨팅 산업은 기존 컴퓨팅이 해결할 수 없는 과학 및 산업의 대규모 문제를 해결할 수 있는 강력하고 기능적인 기계를 구축하는 것입니다. 2026년에는 거기에 도달하지 못할 것입니다. 사실 과학자들은 적어도 1980년대부터 그 목표를 향해 노력해 왔지만 아무리 말해도 그것이 어려운 것으로 판명되었습니다.

지난 10월 뉴욕에서 열린 Q+AI 컨퍼런스 무대에서 양자 컴퓨팅 스타트업 QuEra의 CCO인 Yuval Boger는 “누군가 양자 컴퓨터가 오늘날 상업적으로 유용하다고 말한다면 나는 그들이 갖고 있는 것을 갖고 싶다고 말하는 것입니다.”라고 말했습니다.

목표가 너무 높아서 진행 상황을 추적하는 것도 어려웠습니다. 진정으로 혁신적인 양자 기술을 향한 과정을 계획하고 그 길에 따른 이정표를 표시하기 위해 Microsoft Quantum 팀은 새로운 프레임워크를 마련했습니다.

이 프레임워크는 양자 컴퓨팅 진행의 세 가지 수준을 제시합니다. 첫 번째 수준에는 오늘날 우리가 보유하고 있는 소위 시끄러운 중간 규모 양자(NISQ) 컴퓨터 종류의 기계가 포함됩니다. 이 컴퓨터는 대략 1,000개의 양자 비트, 즉 큐비트로 구성되어 있지만 소음이 많고 오류가 발생하기 쉽습니다. 두 번째 수준은 큐비트 오류를 ​​강력하게 감지하고 수정할 수 있는 여러 프로토콜 중 하나를 구현하는 소형 시스템으로 구성됩니다. 세 번째이자 마지막 수준은 수십만 또는 수백만 개의 큐비트를 포함하고 수백만 개의 양자 연산이 가능한 높은 충실도의 오류 수정 기계의 대규모 버전을 나타냅니다.

이 프레임워크를 받아들인다면 2026년은 고객이 마침내 레벨 2 양자 컴퓨터를 손에 넣을 수 있는 해가 될 것입니다. Microsoft의 양자 부문 부사장인 Srinivas Prasad Sugasani는 “지난 수년 동안 진행된 많은 작업이 이제 결실을 맺고 있기 때문에 2026년이 매우 기대됩니다.”라고 말합니다.

마이크로소프트는 스타트업 아톰 컴퓨팅(Atom Computing)과 협력하여 덴마크 수출투자기금과 노보 노르디스크 재단(Novo Nordisk Foundation)에 오류 수정 양자컴퓨터를 전달할 계획이다. “이 기계는 과학적 이점을 확립하는 데 활용되어야 합니다. 아직 상업적 이점은 아니지만 이것이 앞으로 나아갈 길입니다.”라고 Sugasani는 말합니다.

QuEra는 또한 오류 수정이 가능한 양자 머신을 일본 국립 산업 기술 종합 연구소(AIST)에 전달했으며 2026년에는 전 세계 고객에게 제공할 계획입니다.

오류 수정의 중요성

오늘날 양자 컴퓨터의 가장 큰 문제는 소음 성향입니다. 양자 비트는 본질적으로 취약하기 때문에 전기장이나 자기장, 기계적 진동, 심지어 우주 광선과 같은 모든 종류의 환경 요인에 민감합니다. 어떤 사람들은 시끄러운 양자 기계도 유용할 수 있다고 주장했지만, 거의 모든 사람은 진정한 혁신적 응용을 위해서는 양자 컴퓨터가 오류 복원력을 갖추어야 한다는 데 동의합니다.

고전적인 정보를 오류에 강건하게 만들려면 간단히 반복하면 됩니다. 시끄러운 채널을 따라 0비트를 보내고 싶다고 가정해 보겠습니다. 도중에 0이 1로 바뀌어 잘못된 의사소통이 발생할 수 있습니다. 그러나 대신 연속으로 세 개의 0을 보내는 경우, 하나가 뒤집어지더라도 0을 보내려고 했다는 것이 여전히 명백합니다.

단순 반복은 복사하여 붙여넣을 수 없기 때문에 큐비트에서는 작동하지 않습니다. 그러나 단일 큐비트에 포함된 정보를 여러 물리적 큐비트로 인코딩하여 탄력성을 높이는 방법은 여전히 ​​있습니다. 1큐비트의 정보 가치를 인코딩하는 이러한 물리적 큐비트 그룹을 논리적 큐비트라고 합니다. 정보가 이러한 논리 큐비트에 인코딩되면 계산이 진행되고 오류가 발생함에 따라 오류 수정 알고리즘은 어떤 실수가 있었고 원본 정보가 무엇인지 분리할 수 있습니다.

이러한 논리적 큐비트를 생성하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 논리적 큐비트로 정보를 인코딩하면 오류율이 낮아지고 계산 성능이 향상된다는 것을 실험적으로 확인하는 것이 중요합니다. 2023년에 QuEra 팀은 하버드, MIT, 메릴랜드 대학의 연구원과 협력하여 논리 큐비트로 수행된 양자 작업이 물리적 큐비트로 수행한 작업보다 성능이 우수하다는 것을 보여주었습니다. Microsoft와 Atom Computing 팀은 2024년에도 동일한 성과를 거두었습니다.

올해에는 이러한 과학적 발전이 고객에게 다가갈 것입니다. Microsoft와 Atom Computing이 제공할 Magne라는 머신은 약 1,200개의 물리적 큐비트로 구축된 50개의 논리적 큐비트를 가지며 2027년 초까지 작동될 예정입니다. AIST에 있는 QuEra의 머신은 약 37개의 논리적 큐비트(구현에 따라 다름)와 260개의 물리적 큐비트를 가지고 있다고 Boger는 말합니다.

원자로 만든 양자 컴퓨터

레벨 2 양자 컴퓨터가 모두 동일한 유형의 큐비트, 즉 중성 원자로 구축되는 것은 우연이 아닐 수도 있습니다. 클래식 컴퓨팅 세계는 오랫동안 기본 장치로 트랜지스터를 선택했지만, 양자 컴퓨팅 세계는 아직 초전도체(IBM, Google 등에서 추구), 광자(PsiQuantum 및 Xanadu 등에서 사용), 이온(IonQ 및 Quantinuum에서 개발) 등 완벽한 큐비트를 선택하지 못했습니다.

이러한 모든 옵션에는 장점과 단점이 있지만, 최초의 오류 수정 기계 중 일부가 중성 원자로 제작된 데에는 이유가 있습니다. 논리적 큐비트를 구성하는 물리적 큐비트는 정보를 공유하기 위해 서로 가깝거나 어떤 방식으로든 연결되어야 합니다. 예를 들어 칩에 인쇄된 초전도 큐비트와는 달리 두 개의 원자 큐비트는 서로 바로 옆에 배치될 수 있습니다(갇힌 이온이 공유하는 이점).

QuEra의 Boger는 “중성 원자는 이동할 수 있습니다.”라고 말했습니다. “이를 통해 우리는 정적 큐비트로는 불가능한 오류 수정 방법을 구축할 수 있습니다.”

중성 원자 양자 컴퓨터는 진공 챔버로 구성됩니다. 챔버 내부에서는 원자 가스가 절대 영도 바로 위까지 냉각됩니다. 그런 다음 광학 집게로 알려진 기술을 사용하여 단단히 초점을 맞춘 레이저 빔을 사용하여 개별 원자를 포착하고 고정하고 이동할 수도 있습니다. 각 원자는 단일 물리적 큐비트이며 이러한 큐비트는 2D 또는 3D 배열로 배열될 수 있습니다.

중성 원자 양자 컴퓨터는 주로 레이저에 의해 조작되고 제어되는 개별 원자로 구성됩니다. 복잡한 광학 설정은 레이저 빔을 정확한 목적지로 안내합니다. 아톰 컴퓨팅

일련의 “양자 게이트”인 계산 자체는 원자에 별도의 레이저를 비추고 정밀하게 조율된 방식으로 원자를 비추는 방식으로 수행됩니다. 기동성 외에도 중성 원자 접근 방식은 병렬성을 제공합니다. 동일한 레이저 펄스가 한 번에 여러 쌍의 원자를 조명하여 각 쌍에 대해 동일한 작업을 동시에 수행할 수 있습니다.

중성 원자 큐비트의 주요 단점은 약간 느리다는 것입니다. IBM Quantum의 양자 시스템 이사인 Jerry Chow는 원자 시스템의 계산 속도가 초전도 계산 속도의 100분의 1에서 1000분의 1 정도라고 말합니다.

그러나 Boger는 이러한 둔화는 보상될 수 있다고 주장합니다. 그는 “중성 원자의 고유한 능력으로 인해 우리는 이전에 생각했던 것보다 50배 또는 100배의 속도 향상을 만들 수 있다는 것을 보여주었습니다”라고 QuEra에서 Harvard 및 Yale과 공동으로 진행한 최근 연구를 언급하면서 말했습니다. “우리는 클럭 속도뿐만 아니라 유용한 결과를 얻는 데 걸리는 시간을 일부 사람들이 말하는 해결 시간과 비교할 때 오늘날 중성 원자가 초전도 큐비트와 비슷하다고 생각합니다.” 각 작업이 느리더라도 더 많은 작업이 병렬로 수행되고 오류 수정에 필요한 작업이 적어 속도가 향상됩니다.

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Microsoft의 3단계 프레이밍은 업계의 모든 사람이 받아들이는 것은 아닙니다.

“내 생각에 그런 종류의 레벨 프레이밍은…물리학적인 장치 중심의 세계관입니다. 우리는 세계에 대한 계산적인 관점에서 이를 좀 더 살펴봐야 합니다. 즉, 이러한 회로를 실제로 무엇에 사용하고 활성화할 수 있습니까?” IBM의 Chow는 이렇게 말합니다.

Chow는 대규모 오류 수정 기계가 궁극적인 목표이지만 이것이 오류 수정이 먼저 구현되어야 한다는 의미는 아니라고 주장합니다. 대신 IBM 팀은 기존 기계의 사용 사례를 찾고 그 과정에서 다른 오류 억제 전략을 사용하는 데 중점을 두는 동시에 2029년에 완전히 오류가 수정된 기계를 목표로 노력하고 있습니다.

프레이밍을 수락하든 안 하든 QuEra, Microsoft 및 Atom Computing 팀은 중성 원자 접근 방식이 대규모 장치에 적용할 수 있는 잠재력에 대해 낙관하고 있습니다. Atom Computing의 최고 제품 책임자인 Justin Ging은 “한 단어로 표현하자면 확장성입니다. 이것이 중성 원자의 주요 이점입니다.”라고 말합니다.

QuEra와 Atom Computing의 두 팀은 향후 몇 년 내에 100,000개의 원자를 단일 진공 챔버에 넣어 양자 컴퓨팅의 세 번째 수준을 향한 명확한 경로를 설정할 수 있을 것으로 기대한다고 말합니다.

이 기사는 2026년 1월 인쇄본에 게재되었습니다.