세계 최초의 위상 전도체(topoconductor) 활용
Majorana 1은 **위상 전도체(topoconductor)**라는 새로운 유형의 재료를 활용합니다. 이 재료는 마요라나(Majorana) 입자를 관찰하고 제어할 수 있어 **보다 안정적이고 확장 가능한 큐비트(qubit)**를 생성하는 데 중요한 역할을 합니다. 큐비트는 양자 컴퓨터의 기본 연산 단위로, 이들의 신뢰성과 확장성이 양자 컴퓨팅 발전의 핵심입니다.
마이크로소프트는 위상 전도체와 이를 기반으로 한 새로운 유형의 칩이 현재의 반도체가 스마트폰, 컴퓨터, 전자기기의 발전을 이끌었듯이, 향후 100만 개 이상의 큐비트를 탑재할 수 있는 양자 시스템을 개발하는 길을 열어줄 것이라고 설명했습니다.
“우리는 ‘양자 시대의 트랜지스터’를 새롭게 발명해야 한다고 생각했습니다. 어떤 특성을 가져야 하는지 고민했고, 그 결과 우리가 도달한 것이 바로 Majorana 1입니다.”
– Chetan Nayak, 마이크로소프트 기술 펠로우
100만 개 큐비트가 가능한 양자 컴퓨터
마이크로소프트는 Majorana 1 아키텍처를 통해 손바닥 크기의 칩 하나에 100만 개의 큐비트를 집적할 수 있는 기술적 토대를 마련했다고 밝혔습니다. 이는 양자 컴퓨터가 미세 플라스틱을 무해한 부산물로 분해하거나, 자가 치유(Self-healing) 소재를 개발하는 것과 같은 실질적인 문제 해결에 활용될 수 있도록 만드는 중요한 임계점입니다.
현재의 모든 클래식 컴퓨터를 합쳐도 100만 큐비트 양자 컴퓨터가 수행할 연산을 실행할 수 없습니다. 마이크로소프트는 양자 컴퓨팅이 상업적으로 의미 있는 수준에 도달하려면 반드시 100만 개의 큐비트가 필요하다고 강조했습니다.
위상 초전도체와 새로운 물질 스택 개발
위상 전도체(위상 초전도체)는 **고체, 액체, 기체가 아닌 완전히 새로운 위상 상태(topological state)**를 형성할 수 있는 특수한 물질입니다. 마이크로소프트 연구팀은 이러한 위상 상태를 활용해 기존 큐비트보다 훨씬 안정적인 양자 큐비트를 개발했습니다.
Nature에 게재된 논문에 따르면, 연구진은 인듐 비소(indium arsenide)와 알루미늄(aluminum)으로 구성된 **새로운 물질 스택(materials stack)**을 개발하여 마요라나 입자를 생성하는 데 성공했습니다. 마요라나 입자는 자연적으로 존재하지 않으며, 자기장과 초전도체 환경에서만 생성될 수 있습니다.
마이크로소프트는 새로운 큐비트의 측정 방식도 혁신적으로 개선했습니다. 기존 방식에서는 큐비트 하나하나를 정밀하게 조정해야 하는 아날로그 방식이었지만, 마이크로소프트는 디지털 방식으로 큐비트를 제어할 수 있는 새로운 방법을 개발했습니다. 이는 양자 컴퓨터의 규모를 확장하는 데 있어 획기적인 진전입니다.
DARPA와 협력, 국가 안보 수준의 양자 컴퓨팅 연구
마이크로소프트의 기술은 **미국 국방고등연구계획국(DARPA)**이 추진하는 US2QC(Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing) 프로그램의 최종 단계에 포함되었습니다. 이 프로그램은 세계 최초의 상용급(fault-tolerant) 양자 컴퓨터를 개발하는 것이 목표이며, 마이크로소프트는 현재 최종 후보 두 개 기업 중 하나로 선정되었습니다.
양자 컴퓨터가 가져올 혁신적인 변화
양자 컴퓨터는 자연 현상을 수학적으로 정밀하게 모델링할 수 있어, 화학, 재료 과학, 생명공학 등에서 기존 컴퓨터로 풀 수 없는 문제를 해결할 수 있을 것으로 예상됩니다.
예상 응용 사례
✔ 자기 복구 소재: 부식과 균열이 발생하는 원인을 규명해 자동으로 균열을 복구하는 건축 및 항공 소재 개발
✔ 미세 플라스틱 및 탄소 오염 해결: 플라스틱을 효율적으로 분해하는 촉매를 설계해 환경 문제 해결
✔ 의료 및 농업 혁신: 효소의 작용을 정확히 계산해 더 나은 생물학적 촉매 개발, 식량 생산 증대 및 기후 변화에 강한 작물 개발
가장 혁신적인 변화는 양자 컴퓨터와 AI의 결합입니다. 사용자가 **“이런 소재를 만들고 싶다”**라고 입력하면, 양자 컴퓨터가 AI와 협력해 즉시 해결책을 제시하는 미래가 가능해질 것입니다.
“양자 컴퓨터는 AI에게 ‘자연의 언어’를 가르쳐 줍니다. 그러면 AI가 우리가 원하는 소재의 제작법을 바로 알려줄 수 있습니다.”
– Matthias Troyer, 마이크로소프트 기술 펠로우
새로운 양자 컴퓨팅 확장 전략
양자 컴퓨터는 현재의 디지털 컴퓨터와는 다른 물리 법칙(양자 역학)에 의해 작동합니다. 하지만 큐비트는 환경 변화에 매우 민감해 오류가 쉽게 발생하는 문제가 있습니다. 이를 해결하려면 더 안정적인 큐비트 개발이 필수적입니다.
마이크로소프트는 약 20년 전부터 보다 안정적인 위상 큐비트 개발을 목표로 삼았으며, 이번 Majorana 1 칩을 통해 그 목표에 한 걸음 더 다가섰습니다.
기존 큐비트 방식은 엄청난 크기의 냉각 장치와 정밀한 조정 장치가 필요하기 때문에 확장성이 제한적이었습니다. 하지만 Majorana 1은 손바닥 크기의 칩 하나에 모든 제어 장치가 포함되어 있어, Azure 데이터센터에 쉽게 배치할 수 있는 규모로 양자 컴퓨터를 구축할 수 있습니다.
미래 양자 컴퓨터 개발을 위한 새로운 재료 설계
마이크로소프트는 알루미늄 나노와이어를 H형으로 배치해, 하나의 H마다 4개의 마요라나 입자를 활용해 1개의 큐비트를 생성하는 설계를 개발했습니다. 이 설계를 타일처럼 배열하면, 더 많은 큐비트를 쉽게 확장할 수 있습니다.
“우리는 원자 단위로 새로운 재료를 설계하고 있습니다. 이 과정에서 양자 컴퓨터 자체가 새로운 재료를 예측하는 데 활용될 것입니다.”
– Krysta Svore, 마이크로소프트 기술 펠로우
마이크로소프트의 Majorana 1은 100만 큐비트 양자 컴퓨터 개발을 현실화하는 첫 번째 발걸음입니다. 이번 발표로 양자 컴퓨팅 기술이 수십 년 후가 아닌, 수년 내에 현실화될 것이라는 기대감이 커지고 있습니다.
