중국, 오류 없는 '불멸의 큐비트' 길 열었다...양자 컴퓨터 상용화 '성큼'

양자 컴퓨터는 현존하는 슈퍼컴퓨터로도 해결 불가능한 난제들을 풀 수 있는 혁신적인 기술로 기대를 모으고 있지만, 그 기본 단위인 큐비트(Qubit)의 극심한 취약성이라는 근본적인 한계를 안고 있다. 아주 사소한 외부 충격이나 교란에도 섬세한 양자 정보가 통째로 손상되기 때문이다.
이런 난제를 극복하기 위해 중국 과학기술대학의 판젠웨이(潘建偉) 교수가 이끄는 연구팀이 중요한 진전을 이뤄냈다.


29일(현지시각) 과학 기술 전문매체 인터레스팅 엔지니어링에 따르면 연구팀은 최근 학술지 사이언스(Science)에 발표한 논문에서 외부 흔들림에도 정보가 손상되지 않는 '흔들리지 않는 양자 블록'을 개발하는 데 성공했다고 보고했다.

이 연구는 강력한 프로그래밍 가능 초전도 양자 프로세서인 '주충지 2(Zuchongzhi 2)'를 활용해 달성됐다.

기존의 오류 수정 방식은 복잡하고 많은 수의 큐비트를 추가로 필요로 했다. 이에 판젠웨이 연구팀은 기하학적 도형의 전반적인 특징을 연구하는 수학 분야인 위상수학(Topology)에서 해답을 찾았다.

물질의 위상적 단계에서는 특정 속성이 취약한 국소적 세부 사항이 아닌 전반적인 특징에 의존하기 때문에 놀라울 정도로 견고해지는 특성을 보인다. 연구팀은 여기서 한 걸음 더 나아가, 보호된 상태가 모서리 같은 작은 영역에 모이는 '고차 위상 위상(Higher-order topological phases)'을 목표로 삼았다. 이러한 '모서리 모드(Corner Mode)'는 일반적인 양자 상태보다 교란에 훨씬 더 강할 수 있다.

연구의 난이도를 높인 것은 팀이 안정된 상태가 아닌, 끊임없이 진화하거나 외부 힘에 의해 작동되는 비평형(Non-equilibrium) 버전의 위상 위상에 초점을 맞췄다는 점이다. 이는 자연적으로 발생하지 않아 이를 테스트하거나 관찰할 신뢰할 수 있는 도구가 부족했다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 '주충지 2' 초전도 프로세서의 6×6 큐비트 그리드를 프로그래밍 가능한 양자 시뮬레이터로 사용했다. 연구진은 이 프로세서를 활용해 고차원 위상적 행동을 보이는 '합성 물질'을 모방하도록 큐비트 간의 상호작용을 정밀하게 설계했다.

이후 일련의 제어된 연산을 적용해 목표했던 비평형 위상 위상을 생성했다. 연구팀은 큐비트의 정적 속성이 아닌, 동작이 시간에 따라 어떻게 진화하는지 측정하는 역학 추적 전략을 통해 모서리 모드의 특징을 성공적으로 식별했다.

연구 저자들은 "이 연구는 2차원 프로그래밍 가능 초전도 양자 프로세서를 사용해 평형 및 비평형 고차 위상을 모두 구현한 최초의 사례"라고 밝혔다. 간단히 말해, 자연적으로 존재하지 않는 물질 형태를 양자 프로세서로 만들어 연구했으며, 이 물질이 일반 큐비트 배열과 달리 보호된 모서리 상태를 가지고 있음을 입증한 것이다.

이 연구는 노이즈가 많은 현재의 양자 프로세서조차도 물질의 이국적인 상태를 만들고 연구하는 다재다능한 플랫폼이 될 수 있음을 보여주며, 양자 과학의 강력한 새로운 도구를 제시했다.

연구는 아직 완전한 오류 방지 큐비트를 만들어내지는 못했지만, 위상수학을 이용해 특정 교란에 덜 민감한 양자 상태를 설계하는 유망한 방향을 열어줬다. 이런 보호 모드가 미래의 양자 하드웨어에 적용된다면, 더욱 안정적인 양자 메모리나 논리 장치의 기반을 형성할 수 있으며, 이는 대규모 양자 컴퓨팅의 상용화 가능성을 높인다.

하지만 여전히 과제는 남아 있다. 현재 보호된 모서리 상태는 시뮬레이션된 환경 내에 존재하며, 실제 노이즈 환경에서의 안정성 검증과 더불어 6×6 배열을 뛰어넘는 대규모 확장 연구가 필요하다.

이 연구는 복잡한 시뮬레이션, 첨단 소재 설계, 그리고 인공지능(AI) 연구와 같은 분야에 혁신을 가져올 대규모 양자 컴퓨팅의 길을 열어줄 것으로 기대된다.


이태준 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com