MIT, 양자 컴퓨터 냉각 10배 향상 ‘광자 칩’ 개발…상용화 난제 풀었다

양자 컴퓨터의 최대 난제 중 하나인 ‘초저온 냉각’과 ‘시스템 확장성’ 문제를 동시에 해결할 수 있는 혁신적인 광자 칩 기술이 개발됐다.

17일(현지시각) 양자 컴퓨팅 전문매체 퀀텀 자이트가이스트에 따르면 미국 매사추세츠 공과대학(MIT) 및 MIT 링컨 연구소 공동 연구진은 기존 레이저 냉각 방식보다 성능이 10배 향상된 양자 컴퓨터용 냉각 광자 칩을 개발했다고 발표했다.

MIT 연구진의 이번 연구 결과는 국제 학술지 및 MIT 뉴스를 통해 공개됐으며, 확장 가능한 칩 기반 ‘트랩드 이온(Trapped-ion, 이온 포획)’ 양자 컴퓨터 시대를 앞당길 중요한 이정표로 평가받는다.

양자 컴퓨터의 핵심 단위인 큐비트가 안정적으로 연산하기 위해서는 절대영도(-273.15°C)에 가까운 극저온 상태가 필수적이다. 기존에는 방 하나를 가득 채울 만큼 거대한 레이저 장비와 벌크 광학 장치를 이용해 이온의 진동을 억제해왔다. 그러나 이러한 방식은 외부 진동에 취약하고, 큐비트 수를 늘릴 때마다 장비 규모가 기하급수적으로 커져 상용화의 걸림돌이 되어 왔다.
MIT 연구진은 나노 크기의 안테나와 도파관(Waveguide)을 하나의 칩에 통합하는 방식으로 이 문제를 해결했다. 개발된 광자 칩은 칩 내부에서 직접 교차하는 광선을 정밀하게 조작해 기존 레이저 냉각의 물리적 한계인 ‘도플러 한계(Doppler limit)’보다 10배 더 낮은 온도로 이온을 냉각한다.

핵심 기술은 ‘편광 다중화 안테나’다. 이 안테나는 서로 다른 방향으로 진동하는 빛(편광)을 조합해 회전하는 ‘광학 소용돌이’를 생성한다. 이 소용돌이가 포획된 이온의 미세한 진동을 효과적으로 멈추게 함으로써, 계산 오류를 최소화하고 연산의 정확도를 높인다. 연구진은 칩 설계 시 곡선형 노치(Notch)를 적용해 이온으로 향하는 빛의 집중도를 극대화하고 광 경로의 안정성을 확보했다.

이번 연구의 가장 큰 의의는 ‘확장성’에 있다. 부피가 큰 외부 광학 장치 없이 칩 하나만으로 수천 개의 이온을 제어할 수 있는 기반이 마련됐기 때문이다. 특히 기존 반도체 제조 공정을 활용해 대량생산이 가능하다는 점도 고무적이다.

퀀텀 자이트가이스트에 따르면 연구에 참여한 펠릭스 놀만 연구원은 "이 기술은 수천 개의 큐비트가 상호 연결된 대규모 양자 시스템을 구축하는 데 있어 필수적인 안정적인 광 패턴을 제공한다"며 "단순한 냉각 성능 개선을 넘어, 양자 컴퓨팅의 물리적 구조를 완전히 바꿀 수 있는 혁명적 진전"이라고 강조했다.

학계에서는 이번 성과가 양자 센서, 광시계, 양자 시뮬레이터 등 정밀한 이온 제어가 필요한 다양한 양자 기술 분야에 즉각적으로 적용될 수 있을 것으로 내다보고 있다.

이태준 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com