양자컴퓨터의 기본 단위 큐비트와 초전도체 기술의 융합 초전도 큐비트란?

구글이 최신 보도를 통해 새로운 양자 칩 '윌로우(Willow)'를 발표하며 양자컴퓨터 경쟁에 다시 한번 불을 지폈습니다. 이러한 양자컴퓨터를 이해하기 위해서는 몇 가지 중요한 개념이 필요한데 오늘은 양자컴퓨터 '큐비트'란 무엇이며 초전도체 기술과의 융합이 왜 필요한지 알아보겠습니다.

 

양자컴퓨터와 큐비트 / 출처 : 챗GPT 이미지 형성

초전도 큐비트란?

큐비트는 양자컴퓨터에서 데이터를 처리하는 기본 단위로 기존 컴퓨터의 데이터 단위인 비트가 0 또는 1만 표현할 수 있는 반면, 큐비트는 0과 1을 동시에 나타낼 수 있습니다. 이러한 처리 방식이 양자컴퓨터가 복잡한 문제를 빠르게 해결할 수 있는 이유입니다. 초전도 큐비트는 이 큐비트를 만들기 위해 초전도체라는 특별한 물질을 사용합니다.

1. 초전도체

초전도체는 전기가 흐를 때 저항이 "0"이 되는 신기한 물질입니다. 이 초전도체 두 개 사이에 얇은 절연층(전기가 통하지 않는 층)을 끼워 넣으면 조셉슨 정션이라는 구조가 만들어집니다. 이 구조를 사용하면 초전도체 안에서 전자가 마치 파도처럼 움직이며 양자 상태를 만들 수 있습니다. 이 양자 상태를 큐비트로 이용하는 것입니다.

2. 조셉슨 정션

조셉슨 정션은 초전도체를 이해하는 데 중요한 개념으로, 두 개의 초전도체 사이에 아주 얇은 절연층을 넣은 구조입니다. 이 절연층은 전기가 원래 통하지 않아야 하지만, 양자 터널링이라는 특별한 현상 덕분에 초전도체 안의 전하 입자인 쿠퍼쌍이 절연층을 통과할 수 있습니다. 이 현상이 조셉슨 정션을 이해하는데 핵심 포인트입니다.

 

쉽게 이해하기 위한 예시

 

다리와 자동차의 비유

 

초전도체는 두 개의 섬이고, 그 사이에는 아주 얇은 절연층(얇은 다리)이 놓여 있다고 상상해 보세요. 보통 차(전자)는 다리를 건널 수 없습니다. 하지만, 조셉슨 정션에서는 "양자 터널링"이라는 특별한 법칙 덕분에 차가 순간적으로 다리를 건널 수 있습니다.

 

양자 터널링이란?

 

양자 터널링은 입자가 벽처럼 보이는 장애물을 마치 "벽을 뚫고 지나가듯" 통과하는 현상입니다. 조셉슨 정션에서는 이런 양자 터널링이 전류를 흐르게 만듭니다.

 

조셉슨 정션의 특징

 

• 전류 흐름 : 조셉슨 정션을 통해 전류가 흐르지만, 이는 일반적인 전류가 아니라 초전도체의 특수한 전류입니다.
• 비선형성 : 조셉슨 정션은 전류와 전압의 관계가 독특합니다. 이를 통해 큐비트를 만드는 데 필요한 상태 제어가 가능합니다.
• 응용 :조셉슨 정션은 초전도 큐비트뿐 아니라 SQUID(초전도 양자 간섭 장치)나 매우 민감한 자기장 센서에서도 응용 됩니다.

3. 극저온 환경의 필요성

초전도체는 매우 차가운 상태, 거의 "우주보다 더 차가운 온도"(절대영도 근처)에서만 작동이 가능하며 이렇게 해야만 불필요한 열이나 소음이 줄어들어 양자 상태를 안정적으로 유지할 수 있습니다. 이러한 이유로 과학자들은 "희석 냉각기"라는 장치의 도움을 받아  -273도에 가까운 환경을 만듭니다. 하지만 이런 냉각 기술의 단점은 비용이 많이 들고 지속적으로 유지하기가 어렵다는 문제가 있습니다.

4. 양자 오류 줄이기

초전도 큐비트는 "0"과 "1" 상태를 만들어야 하는데, 이 과정에서 작은 실수가 발생할 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 조셉슨 정션은 특별히 설계되어 큐비트가 정확한 상태를 유지하는 게 핵심 기술입니다.  또한 양자 오류를 줄이기 위해 초전도체를 더 순수하게 만들고, 냉각 시스템을 효율적으로 개선하는 연구가 계속되고 있습니다.

5. 도전 과제

양자컴퓨터는 복잡한 수학 문제, 신약 개발, 기상 예측 같은 일을 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 할 수 있습니다. 하지만 초전도 큐비트를 대규모로 만들려면 극저온 유지 비용을 줄이고, 안정성을 높여야 합니다. 이런 문제를 해결하려는 연구가 세계적으로 활발히 이루어지고 있습니다.

6. 구글 윌로우(Willow) 발표

최근 구글에서 위에서 언급된 오류 및 안정성을 파격적으로 개선한 최신 양자 칩 윌로우(Willow)를 발표하였으며 매우 혁신적인 기술적 내용을 담고 있습니다.

• 양자컴퓨터에서 큐비트 수가 증가하여도 오류를 획기적으로 줄일 수 있으며 실시간 오류 수정을 통한 시스템 안정성을 크게 개선하였다고 발표하였습니다.
• 윌로우는 현재 가장 빠른 슈퍼컴퓨터로 10 셉틸리언(10의 25승) 걸리는 문제를 5분에 풀 수 있으며 이는 우주의 나이보다 훨씬 긴 시간이라고 합니다.

 

 

결론

 

이번 시간에는 양자컴퓨터의 데이터 처리의 기본 단위인 큐비트와 왜 초전도체 기술의 융합이 필요한지 알아보았습니다. 

 

AI시대가 개화하며  각각의 나라는 양자컴퓨터 기술개발을 위하여 치열한 경쟁이 전개하고 있습니다.

우리나라에서도 최근 연세대 송도 국제캠퍼스에 양자컴퓨터 IBM퀸텀 시스템 원을 도입하며 본격적으로 글로벌 경쟁에 합류하였습니다. 다소 늦은 감이 양자컴퓨터 기술을 활용한 AI, IT, 의료, 국방 등 다양한 분야에서 선두주자로 나서기 위해서는 보다 많은 기술개발과 투자가 필요한 시점이라 생각됩니다.

 

미래 선도 기술의 핵심 양자컴퓨터 나라별 기술개발과 진행현황

 

양자난수생성기와 암호화 기능칩을 하나로 양자암호원칩의 정의와 상용화