새끼손톱만한 양자 컴퓨터 칩 개발…양자 연산-알고리즘 검증 완료

국내외 연구진이 양자 컴퓨터의 상용화를 앞당길 혁신적인 아키텍처를 선보였다.

9일(현지시각) 과학 기술 전문매체 인터레스팅 엔지니어링에 따르면 스위스 취리히 연방 공과대학(ETH Zurich) 이웬 추(Yiwen Chu) 교수 연구팀은 기존의 전자기적 메모리 대신 미세한 기계적 진동을 이용해 데이터를 저장하는 새로운 유형의 양자 컴퓨터 칩을 개발했다.

이 연구는 세계적인 과학 저널 '사이언스(Science)'를 통해 발표했다.

연구팀에 따르면 이 혁신적인 장치는 길이가 약 7.5mm에 불과한 소형 칩으로 성인 새끼손톱 가로 너비만하다. 오늘날 디지털 컴퓨터의 핵심 구조인 '연산과 메모리의 분리' 아키텍처를 양자 컴퓨팅에 최초로 도입했다.

기존 양자 컴퓨터는 정보를 처리하고 저장하는 과정에서 크기, 발열, 복잡한 전자적 병목 현상 등 수백만 큐비트를 구현하는 데 큰 제약을 겪어왔다. ETH 취리히 연구팀은 이를 해결하기 위해 초전도 큐비트를 중앙처리장치(CPU) 역할을 하는 프로세서로 활용하고, 미세한 기계식 공진기를 양자 작업 메모리(RAM)로 사용하는 이원화 시스템을 구축했다.

기존 방식처럼 전자기적으로 정보를 저장하는 대신, 칩 내부의 공진기가 미세하게 진동하며 데이터를 인코딩하는 방식이다. 연산이 시작되면 큐비트가 진동에 저장된 정보를 불러와 계산을 수행하고, 업데이트된 정보를 다시 진동하는 메모리에 기록한다.

추 교수는 이를 '기타 줄'에 비유했다. 기타 줄이 서로 다른 주파수로 진동해 다양한 음을 만들어내는 것처럼, 양자 칩 내의 각 진동 모드가 양자 정보를 저장할 수 있는 독립적인 메모리 슬롯 역할을 한다는 설명이다.


이 기계식 진동은 양자 역학의 법칙을 그대로 따르기 때문에 양자 중첩과 얽힘 상태를 완벽히 유지한다. 특히 하나의 공진기가 다양한 진동 모드를 지원하므로 기존 전자기 메모리보다 훨씬 적은 공간을 차지하면서도 더 많은 정보를 저장할 수 있는 것이 강점이다. 또한, 불안정한 양자 상태를 더 오랫동안 보존할 수 있어 정보 손실 전 저장 시간을 획기적으로 연장했다.
연구팀은 실제 이 아키텍처를 검증하기 위해 양자 푸리에 변환과 주기 찾기 알고리즘을 사용하여 시스템을 테스트했다. 실험 결과, 대량의 양자 상태를 안정적으로 저장하고 조작할 수 있음이 확인됐으며, 범용 양자 컴퓨터에 필요한 모든 핵심 연산 작업을 성공적으로 수행했다.

인터레스팅 엔지니어링에 따르면 연구에 참여한 이고르 클라다리치 연구원은 "양자 푸리에 변환은 많은 양자 알고리즘에 필요한 기본적인 계산 절차"라며 "이번 실험은 이 절차가 실제 어떻게 효율적으로 활용될 수 있는지 증명한 사례"라고 강조했다.

추 교수는 "이번 시제품은 크기가 매우 작지만, 향후 더 큰 규모의 양자 시스템으로 나아갈 수 있는 실질적인 길을 열었다"라며 상용화에 대한 자신감을 드러냈다. 학계와 외신 역시 실용적인 양자 컴퓨터 상용화까지는 여전히 과제가 남아있지만, 이번 연구가 대규모 양자 데이터 저장 문제를 해결할 유망한 첫걸음이 될 것으로 평가했다.


이인수 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com