양자 컴퓨터 구축, 부서지기 쉬운 큐비트 하나씩

식기세척기에 들어가는 저렴한 마이크로컨트롤러부터 인공지능 시스템을 위해 수치를 처리하는 하이테크 하드웨어에 이르기까지, 거의 모든 현대식 컴퓨터는 트랜지스터라고 불리는 미세 구조가 새겨진 실리콘 판이라는 동일한 기술의 변형에 의존합니다. 트랜지스터를 포함하는 전자 회로는 보통 “0”과 “1”로 표시되는 두 상태 사이를 빠르고 안정적으로 전환할 수 있습니다. 이를 통해 정보의 기본 단위인 비트를 저장하고 조작할 수 있습니다.

양자 컴퓨터는 단순히 1과 0을 넘어서는 새롭고 더 강력한 방식으로 정보를 처리하고, 일반적인 “고전” 컴퓨터가 해결하기에는 너무 어려운 특정 문제들을 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 하지만 그 약속을 이행할 만큼 강력한 기계를 만드는 것은 여전히 만만치 않은 과제로 남아 있습니다. 양자 컴퓨팅은 아직 트랜지스터의 순간을 맞이하지 못했으며, 연구자들은 여전히 양자 하드웨어를 개발하기 위한 다양한 접근 방식을 탐구하고 있습니다.

현재의 접근 방식은 무엇보다도 양자 컴퓨터의 기본 구성 요소인 큐비트로 어떤 물리적 시스템을 사용하느냐에 따라 다릅니다. 고전 비트를 저장하는 회로와 달리, 큐비트는 중첩 및 얽힘과 같은 기이한 현상을 나타낼 수 있어 추가적인 계산 능력을 제공합니다. 그러나 이러한 양자 효과는 매우 취약하며, 큐비트와 주변 환경 사이의 미세한 상호작용에 의해 쉽게 방해받습니다. 제안된 각 큐비트 기술은 동시에 달성하기 어려운 두 가지 속성을 조화시키려 노력하고 있습니다. 즉, 큐비트는 외부 방해로부터 격리되어야 하지만 연구자들이 조작하기는 쉬워야 합니다.

일부 연구자들은 원자와 같은 자연적인 양자 시스템에 기대를 걸고 있습니다. 단일 원자를 큐비트로 사용하려면 먼저 진공 챔버에 원자를 격리하고 가두어야 하며, 연구자들은 이를 위해 두 가지 뚜렷한 접근 방식을 추진해 왔습니다. 이온 트랩 양자 컴퓨팅에서 연구자들은 각 원자에서 전자 하나를 떼어내어 전기장으로 고정할 수 있는 양전하 이온을 얻습니다. 다른 접근 방식은 광학 집게라고 불리는 정밀하게 초점이 맞춰진 레이저 빔 배열을 사용하여 중성 원자를 가두는 방식입니다.

다른 연구자들은 인공 큐비트 설계를 포함하는 초전도 양자 컴퓨팅이라는 대안적인 접근 방식을 추구하고 있습니다. 고전 컴퓨팅을 위해 개발된 미세 가공 공정의 수정된 버전을 사용하여, 연구자들은 매우 낮은 온도로 냉각될 때 초전도체가 되는 알루미늄 및 니오븀과 같은 금속으로 만들어진 작은 회로를 조립합니다. 희석 냉동기라고 불리는 특수 극저온 시스템에 보관된 이 초전도 회로는 큐비트처럼 작동할 수 있습니다. 전자 스핀부터 광자, 더 이색적인 양자 시스템에 이르기까지 많은 다른 큐비트 후보들이 탐구되어 왔습니다.

소규모 프로토타입에서 훨씬 더 큰 시스템으로 확장하는 것은 이 모든 접근 방식이 직면한 가장 큰 과제 중 하나입니다. 단지 몇 개의 좋은 큐비트를 만드는 것만으로는 충분하지 않습니다. 가장 낙관적인 추정치로도 연구자들은 궁극적으로 최소 수만 개, 어쩌면 수백만 개의 큐비트가 필요할 것입니다. 더 많은 큐비트는 더 크고 복잡한 제어 및 측정 시스템을 의미하기도 합니다. 어떤 기술이 승리할지(혹은 승리할 기술이 있을지) 말하기에는 아직 이르지만, 다음 이미지들은 신뢰할 수 있는 양자 컴퓨터를 구축하기 위해 필요한 야심 찬 노력의 내부 모습을 보여줍니다.