[과학TALK] 주변에 흩어져 약한 방사선 발목 잡힌 양자 컴퓨터 … 돌파구를 찾는 방법

입력 2020.09.05 06:00

양자 컴 상용화하기에 충분한 “양자 정보 유지 시간 ‘이 필요
국내외 연구 극저온 기술 진보는 유지 시간 늘려 왔지만
MIT 연구원 “주위의 방사선의 영향 탓 0.004 초까지가 한계 “
칼텍 연구원 “원자 이외의 분자에 정보 넣으면 1 초까지 가능”

미래의 컴퓨터에서 주목 받고있는 양자 컴퓨터가 우주에서 지구로 날아 오는 “우주 방사선」과 주변 환경 어디 에나있다”배경 복사 ‘수준이 약한 방사선에도 손상 될 수 있다는 미국 매사추세츠 공과 대학 ( MIT)의 연구 결과가 나왔다. 극저온 기술 등으로 양자 컴퓨터의 안정성을 높여왔다 학계가 새로운 해결책을 찾아야한다는 뜻이다. 1 일 (현지 시간) 캘리포니아 공과 대학 (Caltech · 칼텍) 연구진은 그 중 하나의 아이디어를 제시했다.

MIT 연구원은 약한 방사선이 양자 컴퓨터의 성능에 영향을 미칠 수 있다는 연구 결과를 지난달 26 일 네이처에 발표했다. 연구자가 외부보다 200 배 추운 냉각 실에서 양자 컴퓨터 시스템 (초전도 양자 비트)에 약한 방사선을 쬐는 실험을 실시한 결과, 방사선의 영향 하에서 양자 컴퓨터의 ‘일관성 (coherence) “시간은 최대 4 밀리 초 (0.004 초)에 제한되어있는 것으로 나타났다. 일관성 시간은 양자 정보가 유지 될 수있는 시간이다.

과학 전문 매체 ‘흔들림 카라토 (Eurekalert)」와 「사이언스 데일리 (Sciencedaily) “에 따르면, 양자 컴퓨터는 원자와 비슷한 크기의 전자 회로에 정보를 저장한다. 현재 트랜지스터 기반 컴퓨터의 기본적인 정보 처리 단위가 0 또는 1의 값을 갖는 비트 (bit) 인 반면, 양자 컴퓨터의 기본적인 단위는 0과 1의 값을 동시에 가지는 큐 비트 (qubit · 양자 비트)이다. 현재의 컴퓨터보다 빠르고 동시 다발적인 연산이 가능한 이유 다.

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큐비는 종종 살아있는 동시에 죽은 고양이 인 ‘슈뢰딩거의 고양이’로 비유되는 ‘양자 중첩’라는 현상을 이용한다. 0 또는 1을 나타낼 수있는 입자의 스핀 (spin) 방향이 동시에 여러 상태에 중첩 된 것이다. 양자 중첩은 원자와 전자 수준의 작은 세계만으로 비교적 쉽게 나타나는 양자 역학적 현상의 하나 다.

큐 비 프로그램은 외부의 영향 (주변 원자의 떨림, 다른 입자와의 충돌 등)를 수신하면, 양자 중첩 상태가 사라지고 정보도 없어진다. 양자 중첩을 유지하는 상태를 일관성 상태, 이것이 유지되는 시간을 “일관성 시간」이라고한다. 외부의 영향에 일관성이 붕괴하는 현상을 ‘결 어긋남 (decoherence) “라고한다. 사람이나 물건이 일상의 세계에서 많은 입자가 끊임없이 서로 영향을 미치고 있기 때문에 일관성을 유지하는 양자 역학적 현상을 체험하는 것은 어렵다. 외부에 노출되면 정보가 사라지는 원리를 보안상의 이점에 이용한 양자 암호 · 양자 통신도 국내외에서 개발 중이다.

양자 컴퓨터는 일상 세계에 있지만, 그것을 작동시키는 원자는 양자의 세계에있다. 양자 컴퓨터를 상용화하려면 정보가 저장된 원자의 결합 차이를 최대한으로 막고 일관성 시간을 늘려야합니다. 일관성 시간의 연장이 양자 컴퓨터의 발전의 한 축인 셈이다. 사이언스 데일리에 따르면, 양자 컴퓨터의 일관성 시간은 1999 년 1 나노초 (ns · 10 억분의 1 초)에서 오늘 0.0002 초 급격히 (exponential) 증가했다.

이러한 발전은 주로 극저온 기술을 기반으로합니다. 온도 (절대 온도)는 입자의 평균 운동 에너지에 비례하는 양이다. 가장 낮은 온도 인 섭씨 영하 273.15도에 해당하는 0 켈빈 (K * 절대 온도의 단위)에 가까운 환경에서 입자의 움직임도 거의 중지되고 일관성 상태의 원자를 적게 방해가된다는 것이다. 물론, 이러한 낮은 온도를 유지하려면 많은 전력이 소모된다. 상용화 수준에 시스템 규모를 늘리면 소비 전력이 더 늘어날 전망이다. 학계는이를 개선하기위한 연구를 진행해왔다.

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2018 년 성 요오드 바겐 이크 하버드 대 박사가 참석 한 미국의 연구자들은 요구되는 온도 0K보다 4도 높은 영하 269도 올리면서 일관성 시간을 당시 수십 나노초에서 수백 나노초에서 10 배 정도 증가시키는 것에 성공하고 연구 성과를 네이처 커뮤니케이션즈에 발표하고있다. 인텔은 작년에 다수의 큐 비트 열린 대규모 양자 컴퓨터 시스템의 극저온 환경을 한 번에 제어 할 수있는 제어 칩 ‘호스 리지 (Horse Ridge)’을 선보였다. 지난 4 월에는 재미있는 과학 송 현 목 하버드 대학의 연구자가 참여한 연구팀이 원자 2 개 이루어진 분자를 1000 만분의 1K까지 냉각하기 위해 먼저 성공 네이처에보고했다.

그러나 MIT 연구진의 실험에 의하면, 이러한 노력에도 일관성 시간을 0.004 초까지 증가에 그칠 것으로 예상된다. 연구팀은 “우주 방사선은 제거하기 어렵고 투과력이 높다”며 “우주 방사선이 도달하지 않는 지하 깊은 곳에서 양자 컴퓨터를 운용하고, 방사선 차폐 기술을 개발하는 것이 필요하다”고 설명했다.

칼텍 연구진은 원자 이외의 분자에 정보를 넣도록 0.004 초 벽을 넘을 수있는 아이디어 학술지 ‘피지컬 리뷰의 X (Physical Review X)’에 1 일 게재했다. 분자는 몇 가지 원자되도록 원자보다 크고, 양자 중첩 상태에 더 어려운 인식이있다. 그러나 2 개의 다른 원자 결합 두 극성의 축 방향 (orientation)과 각운동량 (angular momentum)을 조정하는 방식으로 정보를 저장하면 일관성 시간을 1 초까지 늘릴 수 있다는 것이 연구진의 설명이다.