MIT, '원격 얽힘' 양자칩 통신 혁신…양자 컴퓨터 상용화 '성큼'

미국 매사추세츠공과대학교(MIT) 연구진이 물리적 접촉 없이 양자칩 간 통신을 가능하게 하는 혁신적인 기술을 개발했다고 과학 뉴스 사이트 테크스팟이 6일(현지시각) 보도했다.

이번 연구 결과는 양자 컴퓨터 개발의 가장 큰 난제 중 하나였던 '원격 얽힘'을 구현해 양자 컴퓨터 상용화에 한 걸음 더 다가섰다는 평가를 받고 있다.

양자 컴퓨터는 기존 슈퍼컴퓨터로도 풀 수 없는 복잡한 문제를 해결할 수 있는 차세대 기술로 주목받고 있지만, 여러 양자 프로세서를 효율적으로 연결하고 오류 없이 정보를 공유하는 것이 기술 개발의 핵심 과제였다. 기존의 양자 컴퓨팅 시스템은 데이터를 '포인트 투 포인트' 방식으로 전송해 각 노드를 거칠 때마다 오류 발생 가능성이 증가하는 한계가 있었다.

보도에 따르면 MIT 연구진은 초전도 프로세서가 '중개자' 없이 직접 통신할 수 있는 양자 상호 연결 구성 요소를 개발해 이러한 문제를 해결했다. 이 장치는 마이크로파 광자를 사용해 데이터를 전송하며, 확장 가능하고 오류에 강한 양자 슈퍼컴퓨터 개발의 가능성을 열었다.

이번 연구의 핵심은 광자가 프로세서 사이를 빠르게 이동할 수 있는 '양자 고속도로' 역할을 하는 초전도 도파관이다. 연구진은 이 도파관에 두 개의 양자 모듈을 연결하여 필요에 따라 광자를 주고받을 수 있도록 했다. 각 모듈에는 인터페이스 역할을 하고 광자를 사용 가능한 양자 데이터로 변환하는 4개의 큐비트가 내장돼 있다.

정확하고 확장 가능한 양자 컴퓨터를 개발하기 위해서는 '원격 얽힘'을 구현하는 것이 필수적이다. '원격 얽힘'은 거리에 관계없이 서로의 상태가 즉시 일치하는 두 양자 입자를 연결하는 현상이다. 얽힌 큐비트는 단일 시스템처럼 작동해 기존 컴퓨터로는 불가능한 복잡한 알고리즘을 가능하게 한다.

하지만 광자를 주고받는 것만으로는 얽힘을 구현할 수 없다. 연구진은 광자의 방출 과정을 '반쯤 멈추는' 특별한 방법을 고안했다. 이렇게 하면 시스템은 광자가 방출됨과 동시에 유지되는 양자 림보 상태에 놓이게 된다. 수신 모듈이 이 '반 광자'를 흡수하면 두 프로세서가 물리적으로 연결되어 있지 않더라도 얽히게 된다.


연구진은 광자가 이동할 때 발생하는 왜곡을 해결하기 위해 알고리즘을 훈련하여 광자의 모양을 조정하고 흡수율을 극대화했다. 그 결과 60%의 높은 성공률을 기록하여 실제 얽힘을 증명했다. 이는 이온 트랩을 사용하는 옥스퍼드대의 방법과 유사한 결과이다.

이번 연구 결과는 '모두 대 모두' 연결을 지원하는 새로운 양자 컴퓨터 아키텍처를 제시했다는 점에서 의미가 크다. 이를 통해 더 많은 프로세서가 직접 통신할 수 있으며, 3D 통합이나 더 빠른 프로토콜과 같은 추가적인 기술 개발을 통해 흡수율을 더욱 높일 수 있을 것으로 기대된다.

연구를 주도한 아지자 알마나클리 MIT 전기공학 및 컴퓨터 과학 대학원생은 "원리적으로 이번에 개발한 원격 얽힘 생성 프로토콜은 다른 종류의 양자 컴퓨터와 더 큰 양자 인터넷 시스템으로 확장될 수 있다"고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 피직스(Nature Physics)'에 게재되었으며, 미국 육군 연구 사무소, AWS 양자 컴퓨팅 센터, 미국 공군 과학 연구 사무소가 MIT 연구팀의 연구를 지원했다.


이태준 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com