오류 없는 양자 컴퓨터 실현 '눈앞'...'마요라나 큐비트' 마침내 해독

안정적인 양자 컴퓨팅 구현의 최대 난제로 꼽히던 '마요라나 큐비트'의 정보를 읽어내는 데 세계 연구진이 마침내 성공했다. 그동안 이론적으로만 존재했던 '오류 없는 양자 컴퓨터'를 향한 여정에 중대한 이정표가 세워진 것으로 평가받는다.

16일(현지시각) 과학 전문매체 사이언스데일리에 따르면 마드리드 재료과학 연구소(ICMM-CSIC)와 네덜란드 델프트 공과대학교 공동 연구팀은 최근 '양자 용량(Quantum Capacitance)'이라는 혁신적 기술을 적용해 마요라나 큐비트에 저장된 양자 정보를 성공적으로 복원했다고 발표했다. 이번 연구 결과는 시스템 전체 상태를 감지하는 '전역 탐침' 방식을 통해 기존에 접근 불가능했던 영역을 해독해낸 것이 핵심이다.


마요라나 큐비트는 흔히 '양자 정보를 위한 금고'에 비유된다. 정보를 하나의 고정된 위치에 저장하는 기존 방식과 달리, '마요라나 제로 모드'라 불리는 두 개의 연결된 양자 상태에 정보를 분산시켜 저장하기 때문이다.

이러한 위상학적 구조 덕분에 마요라나 큐비트는 외부 노이즈에 극도로 강한 복원력을 가진다. 특정 지점에 가해지는 국소적 간섭으로는 정보를 파괴할 수 없기 때문이다. 그러나 이러한 강력한 보안 성능은 역설적으로 연구자들에게 '아킬레스건'이 되었다. 정보가 특정 위치에 고정되어 있지 않다 보니, 이를 감지하거나 읽어내는 것 자체가 거의 불가능했기 때문이다.

연구팀은 이 난관을 극복하기 위해 '키타예프 최소 사슬(Kitaev minimal chain)'이라는 모듈형 나노 구조를 설계했다. 초전도체로 연결된 두 개의 반도체 양자점을 마치 레고 블록처럼 정밀하게 조립해 마요라나 모드가 형성되는 과정을 직접 제어할 수 있는 시스템을 구축한 것이다.

연구진은 이 장치에 양자 정전 용량 프로브를 적용한 결과, 단 한 번의 측정만으로 양자 상태가 '짝수'인지 '홀수'인지를 판별하는 마요라나 패리티(Parity) 실시간 측정에 성공했다. 이는 큐비트의 정보 저장 여부를 확인하는 핵심 지표로, 국소 전하 측정으로는 결코 도달할 수 없었던 성과다.


특히 이번 실험에서는 '무작위 패리티 점프' 현상을 분석하여 1밀리초(1,000분의 1초)를 초과하는 패리티 결맞음 시간을 측정해냈다. 이는 마요라나 기반 위상 큐비트가 미래 양자 연산에서 충분히 실용적임을 입증하는 수치다.

사이언스데일리에 따르면 이번 연구의 공동 저자인 라몬 아과도 박사는 "이번 성과는 시스템 전체 상태에 민감한 탐침 기술이 만들어낸 승리"라며 "이론적 토대와 혁신적 실험 플랫폼의 결합이 양자 컴퓨팅의 새로운 지평을 열었다"고 평가했다.
이번 연구는 오류 정정이 필수적인 차세대 양자 컴퓨터 개발에 있어 결정적인 기술적 토대가 될 전망이며, 향후 전력 시스템 최적화 및 복잡한 분자 구조 시뮬레이션 등 고도의 연산이 필요한 산업계에 혁신을 불러올 것으로 기대된다.


이태준 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com