마이크로소프트(MS)가 양자 컴퓨터 시장에 새로운 변화를 가져올 기술을 발표했습니다. 기존 초전도 큐비트 방식과는 차별화된 **‘위상 큐비트(Topological Qubit)’**를 적용한 양자 칩 ‘마요라나 1(Majorana 1)’을 공개한 것입니다. 이는 구글과 IBM이 주도하던 양자 컴퓨터 경쟁에서 새로운 패러다임을 제시할 가능성이 크며, 실용적인 양자 컴퓨터 개발을 앞당길 중요한 전환점이 될 것으로 예상됩니다.
MS가 발표한 마요라나 1은 크기가 손바닥만 한 작은 칩으로, 현재 8개의 위상 큐비트를 탑재하고 있습니다. MS는 궁극적으로 100만 개 이상의 큐비트를 하나의 칩에 구현하는 것을 목표로 하고 있으며, 이를 통해 **양자 컴퓨터 상용화가 수십 년이 아닌 몇 년 내에 가능할 것**이라는 비전을 제시했습니다.
1. 기존 큐비트의 한계를 극복하는 ‘위상 큐비트’
기존의 양자 컴퓨터는 ‘큐비트(Qubit)’라는 단위를 사용해 정보를 처리합니다. 양자역학의 원리를 활용하여 0과 1이 동시에 존재할 수 있는 ‘양자 중첩(Superposition)’을 이용하여 연산을 수행하는 것이 특징입니다.
그러나 현재 주류 기술인 **초전도 큐비트(Superconducting Qubit)**는 극저온 환경에서도 작은 외부 간섭에 의해 오류가 발생할 가능성이 높습니다. 이에 따라 복잡한 오류 수정 기술이 필요하며, 큐비트 수를 늘리더라도 안정적인 연산을 유지하기 어려운 한계가 있었습니다.
MS는 이러한 한계를 극복하기 위해 **‘위상 큐비트(Topological Qubit)’**를 연구해 왔습니다. 위상 큐비트는 특정 위상 수학의 원리를 적용하여 양자 정보를 보호하는 방식으로 설계되었으며, 기존 큐비트보다 외부 간섭에 강하고 더 안정적인 양자 연산을 수행할 수 있습니다.
위상 큐비트의 주요 장점
- **오류에 대한 높은 내성** – 기존 초전도 큐비트보다 안정성이 뛰어나며, 외부 환경 변화에 덜 민감함
- **확장성** – 위상 큐비트가 구현되면 수십만 개의 큐비트를 집적하는 것이 기존 방식보다 용이함
- **복잡한 오류 보정 불필요** – 기존 초전도 큐비트는 수많은 보정 큐비트를 추가해야 하지만, 위상 큐비트는 내재적 특성으로 오류를 줄일 수 있음
2. 위상전도체와 ‘마요라나 제로 모드’
위상 큐비트를 구현하기 위해 MS 연구진은 **‘위상전도체(Topological Superconductor)’**라는 새로운 유형의 물질을 활용했습니다. 위상전도체는 반도체와 초전도체의 특성을 결합한 물질로, 양자 정보가 왜곡 없이 유지될 수 있도록 돕습니다.
MS 연구진은 **인듐 비소화물(InSb) 반도체와 알루미늄 초전도체(Al Superconductor)**를 결합하여 위상전도체를 개발했고, 이를 극저온 환경과 자기장 조작을 통해 **‘마요라나 제로 모드(Majorana Zero Mode)’**라는 특수한 양자 상태를 형성하는 데 성공했습니다.
기존 초전도체에서는 전자가 짝을 이루어 이동하는 반면, 마요라나 제로 모드에서는 두 개의 입자가 서로 물리적으로 분리된 상태를 유지할 수 있습니다. 이로 인해 **한쪽 입자가 오류 영향을 받아도 다른 입자는 영향을 받지 않으므로, 양자 정보를 보다 안정적으로 유지할 수 있는 것이 특징입니다.**
3. 위상 큐비트 vs. 초전도 큐비트 – 차이점과 경쟁력
MS의 위상 큐비트 방식은 기존 초전도 큐비트 방식과 차별화된 접근 방식을 제공합니다. 현재 양자 컴퓨터 시장을 주도하는 구글과 IBM은 **초전도 큐비트 기술**을 활용하고 있으며, 수백 개 이상의 큐비트를 연결하여 계산 오류를 줄이는 데 집중하고 있습니다.
위상 큐비트와 초전도 큐비트 비교
| 구분 | 초전도 큐비트 | 위상 큐비트 |
|---|---|---|
| 대표 기업 | 구글, IBM | 마이크로소프트 |
| 기술 방식 | 극저온에서 초전도 상태를 유지하며 연산 수행 | 위상전도체를 이용해 내재적인 오류 보정 가능 |
| 안정성 | 외부 간섭에 취약해 복잡한 오류 수정 필요 | 위상적 성질 덕분에 외부 간섭에 강함 |
| 확장성 | 큐비트 수 증가 시 오류 보정이 어려움 | 큐비트 수를 쉽게 늘릴 수 있는 구조 |
4. 위상 큐비트의 미래 – 실용화 가능성은?
현재 MS가 발표한 마요라나 1은 단 8개의 큐비트를 탑재한 시제품으로, 아직 대규모 연산을 수행하기에는 한계가 있습니다. 그러나 MS는 이 기술을 기반으로 **향후 100만 큐비트 이상의 양자 칩 개발을 목표**로 하고 있으며, 수년 내에 실용적인 양자 컴퓨터를 구현할 계획을 발표했습니다.
향후 발전 가능성
- **양자 오류 보정 기술 단순화** – 복잡한 오류 보정 알고리즘 없이 안정적인 연산 가능
- **큐비트 대량 생산 가능성** – 한 번 구현되면 대규모 양산이 가능하여 상업화 속도 증가
- **신약 개발, 금융, 기후 예측 등 다양한 산업에 활용 가능**
하지만 일부 전문가들은 위상 큐비트의 실용화가 아직 실험 단계에 머물러 있으며, 실제 연산 성능이 기존 초전도 큐비트를 뛰어넘을 수 있을지에 대한 검증이 필요하다고 지적하고 있습니다. 또한, 과거 네덜란드 델프트대 연구진이 마요라나 입자 생성을 주장했지만, 이후 논문이 철회된 사례가 있어 신중한 접근이 필요하다는 의견도 있습니다.
결론
MS가 공개한 ‘마요라나 1’은 양자 컴퓨터 시장에서 기존과는 다른 새로운 접근 방식을 제시하며, 구글과 IBM이 주도하던 초전도 큐비트 중심의 경쟁 구도를 변화시킬 가능성이 큽니다. 위상 큐비트가 실제 상용화될 경우, 양자 컴퓨터의 안정성이 획기적으로 개선되고 확장성이 증가할 수 있습니다.
MS의 도전이 양자 컴퓨터 시장에 어떤 변화를 가져올지, 그리고 향후 위상 큐비트 기술이 실용적인 양자 연산을 가능하게 할지에 대한 연구가 계속될 것입니다.
