양자 컴퓨터 카드 한 벌 크기 시스템 온 칩에 담는다

거대한 방 하나를 가득 채우던 초기 컴퓨터가 손바닥 안의 스마트폰으로 진화했듯, 부피가 크고 민감해 실험실 안에만 갇혀 있던 양자 컴퓨터를 소형 칩 형태로 구현할 수 있는 핵심 기술이 개발됐다.

미국 매사추세츠 애머스트 대학교(UMass Amherst) 리치오 공과대학과 캘리포니아 대학교 산타바바라 캠퍼스(UCSB) 공동 연구팀은 양자 컴퓨터의 크기를 획기적으로 줄일 수 있는 통합 레이저 및 이온 트랩 부품 개발에 성공했다고 양자 컴퓨팅 전문매체 퀀텀 인사이드 30일(현지시각) 보도했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다.


보도에 따르면 현재의 양자 컴퓨팅 기술은 극도로 민감한 광학 장치와 여러 개의 레이저, 진동 차단 설비를 갖춘 대형 진공 챔버가 필요하다. 이 때문에 시스템의 부피가 커지고 확장이 어려워 실험실 밖으로 나가기에는 한계가 있었다.
연구팀은 이런 대형 정밀 레이저 시스템을 소형 광자 칩(Photonic Chip)으로 대체할 수 있음을 세계 최초로 입증했다.

퀀텀 인사이드에 따르면 로버트 니페네거(Robert Nifenniger) 교수는 "양자 기술의 확장성과 휴대성을 확보하려면 모든 레이저 시스템이 칩 안에 내장되어야 한다"며, "기존 방식으로는 축구장 크기만큼 레이저를 쌓아 올려도 수백만 큐비트를 구현할 수 없지만, 통합 칩 방식은 이를 가능하게 한다"고 강조했다.


연구팀은 자체 설계한 시스템을 통해 양자 정보의 기본 단위인 '큐비트'의 상태 준비와 측정 등 주요 연산을 수행했다. 테스트 결과, 양자 컴퓨팅에 필요한 높은 수준의 정확도를 이미 달성한 것으로 나타났다.

특히 이번 성과는 고도로 안정화된 '광학 공진기'를 칩 규모로 축소했다는 점에 의의가 있다. 부피가 큰 절연 시스템 없이도 능동적인 보정 기술을 통해 레이저의 안정성을 유지함으로써, 견고하고 휴대 가능한 양자 하드웨어의 기반을 닦았다.

이 기술이 상용화되면 기존 슈퍼컴퓨터로 수만 년이 걸릴 암호 해독이나 복잡한 물리적 난제들을 해결할 수 있는 대규모 양자 컴퓨터 제작이 가능해진다.

단기적으로는 '광시계(Optical Clock)'의 비약적인 발전을 가져올 전망이다. 칩 형태로 소형화된 광시계는 지구의 중력장을 센티미터 단위로 정밀 매핑하거나, GPS 시스템의 정확도를 획기적으로 높일 수 있다. 니페네거 교수는 "이것이 정밀 광학 시계를 우주로 보낼 수 있는 유일한 방법"이라며, 태양 주변 궤도에서의 물리 상수 변화 실험 등 기초 과학 연구의 새로운 지평을 열 것이라고 기대했다.

연구팀의 다음 목표는 이온 트랩 칩과 레이저 칩, 광학 소자들을 단일 칩에 모두 통합하는 '양자 시스템 온 칩(Quantum System-on-Chip)'을 완성하는 것이다. 이번 연구는 미국 국립과학재단(NSF)의 CAREER 어워드 지원을 통해 수행되었다.


이인수 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com