양자 컴퓨터 하드웨어: 양자 컴퓨터 구현 방식

이전 기사"기본 개념: 양자 컴퓨터의 작동 원리와 기술 발전 방향" 에서는 큐비트(양자 비트), 중첩, 얽힘 등 양자 컴퓨팅의 기초 개념을 개괄적으로 설명했습니다. 이번 기사에서는 이러한 원리를 바탕으로 실제 물리적 시스템에서 큐비트를 구현하여 양자 컴퓨팅을 가능하게 하는 방법을 살펴보겠습니다. 양자 하드웨어 설계에는 큐비트 안정성 유지 및 비고전화 최소화를 위한 다양한 기법을 가진 여러 선도적 접근법이 존재합니다. 그중 유망한 접근법으로는 (1) 중성 원자 양자 컴퓨터, (2) 포획 이온 양자 컴퓨터, (3) 초전도 양자 컴퓨터, (4) 스핀 큐비트 양자 컴퓨터가 있습니다. 각 접근법의 기반이 되는 물리적 시스템을 탐구하며, 그 장점과 장단점을 논의하는 동시에 각 접근법의 발전이 서로 다른 함의를 창출한다는 점을 인식한다.

중성 원자 양자 컴퓨터

중성 원자 양자 컴퓨터는 레이저나 전자기장을 이용해 중성 원자를 국소화된 영역에 가둡니다. 이러한 시스템에서 중성 원자는 원자 전자의 에너지 준위나 원자의 초미세 상태에 양자 정보를 저장함으로써 큐비트 역할을 합니다. 중성 원자의 내부 상태는 큐비트의 논리적 |0⟩ 및 |1⟩ 상태로 기능합니다. 

정밀하게 제어된 레이저 또는 전자기 펄스를 사용하여 중성 원자를 조작함으로써 큐비트를 초기화하고, 양자 연산을 수행하며, 그 양자 상태를 측정합니다. 단일 큐비트 연산은 조정된 레이저 또는 전자기 펄스를 적용하여 단일 원자의 두 내부 에너지 준위를 결합함으로써 달성할 수 있습니다. 펄스의 지속 시간, 주파수 및 강도를 조절하여 큐비트의 상태를 |0⟩ 또는 |1⟩, 또는 그 사이의 어떤 중첩 상태로도 변경함으로써 단일 원자로 다양한 게이트를 수행할 수 있습니다. 

중성 원자 양자 컴퓨터는 "리드베리 차단" 효과를 활용하여 2큐비트 게이트를 구현할 수 있다. 이를 위해 레이저나 전자기 펄스를 사용하여 큐비트를 "리드베리 상태"로 알려진 고에너지 상태로 여기시킨다. 이 고에너지 상태로 전환될 때, 여기된 원자는 주변 원자들의 에너지 준위를 변화시켜 이웃 원자들이 유사한 에너지 상태로 여기되는 것을 방지합니다. 라이드베리 차단 효과는 두 이웃 원자 사이에 중첩 상태를 확립하는 데 활용되어 다중 큐비트 게이트를 생성할 수 있습니다.

중성 원자 양자 컴퓨터의 장점으로는 일반적인 원자로 구성된 대규모 배열을 통한 높은 확장성과 균일한 큐비트 특성이 포함됩니다. 레이저 및 전자기 펄스는 큐비트 상태에 대한 정밀한 제어 또한 제공합니다. 그러나 중성 원자를 포획하고 안정화하는 것은 어려운 과제입니다. 레이저 빔의 사소한 정렬 불량이나 출력 변화만으로도 원자가 이탈하거나 빠져나갈 수 있기 때문입니다. 또한 배경 가스와의 충돌로 인한 붕괴를 방지하기 위해 모든 중성 원자는 제어된 진공 환경에서 유지되어야 합니다.  

갇힌 이온 양자 컴퓨터

중성 원자 양자 컴퓨터와 달리, 포획 이온 양자 컴퓨터는 전자기장을 이용해 자유 공간에서 전하를 띤 원자 입자(이온)를 가둠(예: 고정)합니다. 갇힌 각 이온의 운동은 레이저 냉각을 통해 기저 상태에 가깝게 억제됩니다. 중성 원자 양자 컴퓨터와 마찬가지로, 갇힌 이온 시스템 내 각 원자는 양자 정보를 각 이온의 전자 상태 또는 초정밀 상태에 인코딩하는 큐비트 역할을 합니다(예: 레이저 또는 마이크로파 펄스 사용).

다중 큐비트 연산은 포획된 이온 양자 컴퓨터에서 이온의 내부 큐비트 상태를 인접 이온들 간 공유 진동 모드와 결합함으로써 구현된다. 이온들이 전자기장 내에 포획되어 있기 때문에, 한 이온의 진동 운동(예: 레이저 펄스에 의해 유도된)은 쿨롱 상호작용(즉, 전하를 띤 이온들 간의 전자기적 반발력)을 통해 다수의 이온들이 양자화된 운동을 보이게 한다. 정밀하게 제어된 레이저 또는 전자기 펄스를 통해 유도된 진동은 선택된 이온들이 얽히게 하여 다양한 다중 큐비트 게이트 및 양자 연산을 가능하게 합니다.

갇힌 이온 양자 컴퓨터는 여러 장점을 지니고 있다. 여기에는 긴 코히런스 시간에 따른 낮은 오류율, 높은 정확도의 양자 게이트, 얽힌 입자의 광범위한 배열 가능성(즉, 트랩 내 각 이온이 트랩 내 다른 모든 이온과 얽힐 수 있음), 그리고 양자 알고리즘의 간편한 구현을 용이하게 하는 잘 이해되고 표준화된 게이트 체계가 포함된다. 

그러나 이러한 시스템은 일반적으로 고체 상태 큐비트(예: 초전도 회로나 실리콘 기반 큐비트)를 사용하는 시스템에 비해 처리 속도가 느립니다. 또한 포획 이온 시스템은 유용한 결과를 얻기 위해 복잡한 레이저 및 전자기 인프라를 필요로 하는 경우가 많습니다. 중성 원자 시스템과 마찬가지로 포획 이온 시스템도 배경 가스나 다른 입자와의 충돌로 인한 댐핑을 방지하기 위해 제어된 진공 조건이 필요합니다. 

초전도 양자 컴퓨터

초전도 양자 컴퓨터는 초전도 물질의 특성을 활용하여 큐비트를 생성하고 제어합니다. 초전도 물질, 즉 "초전도체"는 저항이나 에너지 손실 없이 전기를 전도할 수 있는 물질입니다. 초전도체는 극저온에서 작동하며, 일반적으로 절대 영도에서 몇 켈빈 이내(예: 1~20K 또는 -272~-253°C)의 온도에서 작동합니다.  초전도 양자 컴퓨터는 "조셉슨 접합"이라 불리는 초전도체 구조를 활용하여 초전도 큐비트(예: 초전도 전자 회로)를 구현합니다.

조셉슨 접합은 초전도체 사이에 위치한 얇은 절연 장벽으로, 트랜스몬 큐비트와 플럭스 큐비트를 포함한 다양한 큐비트를 생성하는 데 활용될 수 있다. 트랜스몬 큐비트는 조셉슨 접합을 상대적으로 큰 커패시터와 병렬로 연결하여 생성된다. 이는 비선형 LC 발진기를 형성하여 양자 컴퓨팅 구현을 위한 이산적 에너지 준위를 생성할 수 있게 한다. 양자 정보는 마이크로파 펄스를 이용해 트랜스몬 큐비트의 에너지 상태에 인코딩될 수 있으며, 이 펄스는 큐비트의 이산적 에너지 준위 간 전이를 유도합니다. 트랜스몬 큐비트는 인접한 큐비트 간의 용량성 결합 또는 유도성 결합을 통해, 혹은 마이크로파 공동체나 전송선로와 같은 공통 공진기와 결합함으로써 얽힘 상태를 형성할 수 있습니다.

반면, 플럭스 큐비트는 하나 이상의 조셉슨 접합을 포함하는 "초전도 루프" 또는 전류 경로를 사용하여 형성됩니다. 플럭스 큐비트는 초전도 루프를 통과하는 전류의 방향에 의해 매개되는 각 큐비트의 자기 플럭스에 양자 정보를 인코딩합니다. 전류 방향(예: 시계 방향 또는 반시계 방향)은 큐비트의 논리적 |0⟩ 및 |1⟩ 상태로 기능합니다. 플럭스 큐비트는 외부 자기 플럭스 조정과 전자기 펄스의 조합을 사용하여 제어됩니다. 보다 구체적으로, 펄스와 자기 플럭스를 활용하여 큐비트의 상태를 외부에서 조정할 수 있으며, 이를 통해 |0⟩과 |1⟩ 상태 간 전이를 유도하고 단일 큐비트 게이트를 구현합니다. 다중 큐비트 게이트는 인접한 큐비트 간의 유도 결합, 공유 조셉슨 접합, 또는 공통 공진기와의 결합을 통해 플럭스 큐비트를 얽힘 상태로 만들어 달성할 수 있습니다. 

초전도체를 이용한 양자 컴퓨터 구현은 매우 빠른 게이트 연산과 기존 반도체 회로 제조에 사용되는 것과 유사한 리소그래피 기술을 활용한 시스템 제작 가능성 등 여러 장점을 지닌다. 초전도 양자 컴퓨터는 제조 용이성으로 인해 확장성이 뛰어나며, 확립된 연구 커뮤니티의 혜택을 받는다. 그러나 초전도체는 제한된 코히어런스 시간으로 인해 초저온 환경에서만 작동할 수 있다는 단점이 있습니다. 또한 개별 큐비트를 제어하는 데 사용되는 전자기 펄스로 인한 크로스톡(간섭) 등 노이즈에 취약합니다.

스핀 큐비트 양자 컴퓨터

스핀 큐비트 양자 컴퓨터는 반도체 물질 내 전하 운반체(예: 전자)의 스핀 내에 양자 정보를 인코딩하는 스핀 큐비트를 구현합니다. 스핀은 원자 이하 입자의 양자적 특성으로, 상위 또는 하위 상태의 중첩 상태에 있을 수 있으며, 각각 큐비트의 논리적 |0⟩ 및 |1⟩ 상태를 나타낼 수 있습니다. 각 전자의 양자 정보(예: 스핀-업 및 스핀-다운 상태)는 "양자점" 내에서 전자의 스핀을 회전시켜 제어할 수 있습니다. 양자점은 반도체 물질 내부에 존재하는 영역으로, 전자를 3차원 공간 전체에 걸쳐 제한합니다. 일부 시스템에서는 반도체 물질에 주입된 기증자 원자(예: 실리콘 기판 내에 주입된 인 원자)를 사용하여 전자의 스핀을 격리할 수 있습니다.

스핀 큐비트는 다양한 광학적, 전자기적 또는 열적 기법을 사용하여 제어할 수 있다. 일부 시스템에서는 대상 큐비트의 주파수에 맞춰 조정된 진동 자기장을 적용하여 상태를 제어함으로써 단일 큐비트 게이트를 구현할 수 있다. 진동 전기장을 사용하여 하나 이상의 큐비트의 스핀을 원하는 상태로 전환할 수도 있다.

다중 큐비트 게이트는 두 개의 양자점 또는 도너 원자 사이에 터널 장벽을 제공함으로써 구현될 수 있다. 스핀 간의 상호작용으로 인접한 두 전자가 얽히게 되며, 이를 이용해 게이트를 생성할 수 있다. 다중 큐비트 게이트는 게이트에 전압을 가함으로써 제어할 수 있으며, 이는 인접한 전자의 스핀 상호작용 방식에 영향을 미친다. 

스핀 큐비트 양자 컴퓨터는 긴 코히어런스 시간, 작은 설치 공간, 기존 반도체 제조 공정과의 호환성 등 여러 장점을 지닙니다. 그러나 이러한 접근 방식은 여전히 극저온(예: 절대 영도에 가까운 온도)에서 작동해야 합니다. 또한 시스템 내 각 큐비트에 고주파 전압 신호를 정밀하게 전달하기 위해 복잡한 회로가 필요하기 때문에 확장성이 떨어지는 문제가 있습니다.

질소 결함 큐비트

양자 컴퓨팅의 유망한 새로운 패러다임은 다이아몬드의 질소-공석(NV) 센터를 활용하여 견고한 상온 큐비트를 생성합니다. NV 센터는 다이아몬드 격자 내 원자 규모의 결함으로, 공석에 인접한 질소 원자로 구성되며 스핀 의존성 광발광과 매우 긴 스핀 코히런스 시간을 나타냅니다. 이러한 특성 덕분에 NV 센터는 광학 또는 마이크로파 장을 통해 초기화, 조작, 판독이 가능한 잠재적으로 매우 안정적인 큐비트 역할을 할 수 있습니다. 극한의 냉각이 필요한 다른 많은 양자 시스템과 달리, NV 센터 큐비트는 실온에서도 양자 간섭성을 유지하여 보다 실용적이고 확장 가능한 양자 장치의 문을 열어줍니다. 또한 자기장, 전기장, 열 환경에 대한 민감성 덕분에 양자 계산과 함께 고급 양자 센싱 응용이 가능합니다. 이 다이아몬드 기반 접근법은 생체 적합성, 내구성, 기존 반도체 기술과의 통합 가능성을 결합하여 차세대 양자 기술의 강력한 후보로 자리매김하고 있습니다.

시사점

이러한 양자 컴퓨팅 접근법 또는 구현 방식은 제안된 바와 같이 기술적 장점, 성숙도 및 상용화 준비 기간, 공급망, 잠재적 전략적 파트너십, 활용 사례, 제품 영향, 비용 등에서 차이가 있습니다. 다양한 함의를 이해하는 것은 영향력 평가(전략적 및 기타 측면)에 중요할 것입니다. 양자 우위 경쟁과 소비자 등급 양자 컴퓨팅 경쟁이 격화됨에 따라 이는 투자, 전략적 결정, 사업 일정, 위험 분석을 형성할 것입니다.  어떤 접근 방식이 우위를 점할지 단정하기에는 아직 이르지만, 전략가, 분석가 및 의사 결정권자들이 후보 기술들을 숙지해야 할 시점입니다.