실리콘, 양자 컴퓨팅 경쟁에서 우위를 점하다

- 고전 컴퓨팅의 제조기술은 양자 장치로 점점 나아가고 있다

▲ 실리콘으로 만들어진 양자컴퓨터는 제조기술을 활용하여 상용제품들을 보다 더 쉽게 만들 수 있다. (출처: WIKIPIDIA)

네덜란드에 있는 델프트공과대학교(the Delft University of Technology) 연구팀은 몇 주 안에 중요한 패키지를 받기를 기대하고 있다. 패키지의 내용물은 유용한 양자 컴퓨터를 생산하기 위한 경쟁 속에서의 경쟁을 증가시킬 것이다.

오리건 주(Oregen)의 힐스버러(Hillsboro)에 있는 반도체 거대 기업 인텔(Intel)의 연구 및 개발시설로부터 발송된 소포에는 컴퓨터 안에 실리콘 칩들을 제작하기 위해 사용된 기술로 만들어진 최초의 양자컴퓨터가 들어있었다. 인텔의 양자하드웨어 개발을 이끌고 있는 제임스 클라크(James Clarke)는 “현재 실리콘 방식이 양자 컴퓨터를 만들기 위한 다른 접근방식들보다 뒤떨어져있지만 그 기술이 개념 입증(proof-of-concept)하는 것을 넘어서 장치들의 개발을 가속화할 수 있기를 기대하고 있으며, 이번 해에 실리콘 양자 컴퓨팅(quantum computing)에 대해 많이 들을 것”이라고 말한다.

비교적 보통 장치는 실리콘 방식에 다른 접근방식들로 힘을 실어준 가장 최근의 변화를 나타내고 있다. 일부 과학자들은 실리콘경로에서도 가능성을 본다. 호주 시드니(Sydney) 뉴사우스웨일스대학교(the University of New South Wales, UNSW)에 미쉘 시몬스(Michelle Simmons) 교수와 같은 물리학자들은 실리콘을 사용한 양자 컴퓨터들을 만드는데 그들만의 방식을 개발하고 있다. 2017년 5월에, 그녀는 호주 정부의 지원으로 실리콘 양자 컴퓨팅(Silicon Quantum Computing)이라고 불리는 6500만 달러(한화 약 690억)이 드는 신규 업체를 설립했다. 

양자 컴퓨터들은 0과 1로 정보의 비트들을 인코딩하는 그들의 고전 컴퓨터들을 능가하기 위해 두 개의 작은 규모의 현상을 활용하는 것을 목표로 한다. 양자세계에서, 정보의 단위는 큐비트(qubit)로 불리고 각각 큐비트는 0과 1 둘의 ‘중첩(superposition)’에서 같이 존재할 수 있다. 또한, 두 개의 비트는 하나의 큐비트의 상태가 다른 하나의 큐비트의 상태를 결정하도록 얽어매질 수도 있다. 이는 양자 장치들이 동시 계산을 수행가능하게 하여 계산 속도를 놀랍게 향상시킨다.

많은 실험실에 있는 물리학자들은 절대영도에 가까운 온도에서 작동하는 프로토타입(prototype)의 양자 컴퓨터들을 개발해왔다. 경쟁에서 선두주자들은 큐비트들을 인코딩하는 두 가지 방법인 트랩에 담긴 단일 이온들이나 초전도 루프들의 진동 전류 중 하나를 사용한다. 이 두 시스템들은 정교한 제어를 요구한다. 이온기술은 각각 큐비트를 읽고 쓰기위한 복잡한 레이저시스템들을, 초전도 큐비트들 각각은 전파를 사용하여 큐비트들을 제어하는 장치를 사용한다.

실리콘 기술을 지지하는 사람들은 반도체를 큐비트로 코드화하여 사용하는데 주요 이점들을 볼 수 있다. 이들은 미세한 전자 칩 바로 위에 에칭된(etched) 미세한 전기리드를 사용하여 훨씬 더 간단하게 조작될 수도 있다. 그리고 만약 칩을 만들기 위한 동일한 대규모 제조 기술들이 양자영역에 옮겨질 수 있다면, 이 기술을 상용제품으로 바꾸는 것이 더 쉬워질 수 있다. 여기에서 에칭은 반도체 제작공정에서 포토레지스트(photoresist)에 피복되어 있지 않은 산화막을 제거하는 공정을 말한다. 

▲출처: 호주 시드니(Sydney) 뉴사우스웨일스대학교(the University of New South Wales, UNSW)

길고 긴 여정

실리콘으로 양자컴퓨터를 만든다는 아이디어는 새롭지 않다. 현재 컬리지 파크 메릴랜드대학교(University of Maryland-College Park) 실험 물리학자인 브루스 케인(Bruce Kane)은 20년 전 실리콘에 함유된 인 핵(phosphorus nuclei)의 자기방향, ‘스핀(spin)'에 대한 큐비트를 먼저 제안했다. 이와 비슷한 시기에, 뉴욕 요크타운하이츠(Yorktown Heights)에 있는 IBM의 이론물리학자인 데이빗 디빈센조(David DiVincenzo)와 그의 협력자인 스위스 바젤 대학의 다니엘 로스(Daniel Loss)는 반도체 내부에 있는 이동전자 스핀에 정보를 저장하는 방법을 제안했다. 두 가지 제안은 많은 실험증명을 이끌었지만, 오랫동안 재료의 질이 진전을 제한했다.

뉴저지 주 프린스턴 대학교(Princeton University)의 물리학자 제이슨 페타(Jason Petta) 교수는 실리콘을 이용한 양자컴퓨터를 만드는 일은 수년간 재료 과학과 공학 분야에서 “그리 화려하지 않은” 발전을 이뤄냈다고 한다. 시몬스 교수가 총괄하는 UNSW에 양자전산(Quantum Computation)과 통신기술(Communication Technology) 센터 물리학자들은 실리콘을 이용해 양자컴퓨터를 만드는 일에 있어 기초 작업의 대부분을 다뤄왔다. 시몬스 교수는 양자 장치가 확대될 때 불가피한 군중들의 이슈가 되는 것을 방지하여 제어리드를 덜 필요로 하는 제조기술을 개발했다. 그녀는 “나는 필수적이지 않은 모든 것을 설계하고 가능한 한 단순하게 만들고 싶다.”라고 말했다.

2017년, 두 그룹들은 실리콘에 통제 가능한 두 개의 큐비트 장치를 설계했다는 획기적인 발전을 이뤄냈다. 페타 교수와 그의 협력자들은 델프트공과대학교에 리에븐 반델시펜(Lieven Vandersypen)박사가 이끌었던 팀과 마찬가지로 저 사실을 달성했다.

델프트공과대학교에 10년간 5000만 달러(한화 약 534억)을 투자하고 있는 인텔은 마이크로프로세서 제조 기술을 개발하는 같은 종류의 공장에서 반델시펜 박사의 다중큐비트 전자스핀 장치를 생산하고 있다. 반델시펜 박사는 “산업파트너는 신뢰할만한 동일한 장치들을 공급하는 것으로 도울 수 있다.”라고 말한다.

클라크는 더 분별력 있는 접근방식으로 “경쟁을 위해 스핀 큐비트를 가속하기를 바란다.”라고 말한다. 시몬스의 신규업체는 5년 이내에 10개의 큐비트 기계를 만들기를 목표로 하고 있다. Google, IBM 그리고 많은 다른 회사들과 대학실험실들은 약 50개의 초전도 큐비트를 갖는 양자 컴퓨터들을 만들기 위해 서로 다른 기술들을 사용하고 있다. 그리고 인텔도 자체적으로 위험을 무릅쓰고 하나 이상의 기술적 접근방식을 지원하고 있다.  출처: Nature

 

[유건원 학생기자(전북대 항공우주공학과)  ssuu4680@naver.com]