꿈의 기술 양자컴퓨터 상용화의 열쇠 위상부도체

양자컴퓨터는 0과 1을 동시에 가질 수 있는 상태를 이용한다. 이 상태를 큐비트라 한다.

흐트러지는 것이 문제다

큐비트는 주변 환경과 조금만 상호작용해도 상태가 무너진다. 열, 전자기파, 진동이 모두 방해가 된다. 이를 결어긋남이라 한다.

현재의 큐비트가 상태를 유지하는 시간은 마이크로초에서 밀리초 수준이다. 그 안에 계산을 끝내야 한다.

대응책은 오류 정정이다. 여러 개의 물리적 큐비트를 묶어 하나의 논리적 큐비트를 만들고, 일부에 오류가 생겨도 복구하는 방식이다. 문제는 필요한 개수다. 쓸 만한 계산을 하려면 논리 큐비트 하나에 물리 큐비트 수백에서 수천 개가 필요하다는 추정이 나온다.

구조로 지키자는 발상

다른 접근은 오류를 고치는 대신 애초에 잘 생기지 않게 만드는 것이다.

정보를 한 지점에 두지 않고 여러 곳에 나누어 담되, 그 방식이 공간의 배치에 의존하도록 한다. 국소적인 교란은 한 지점만 건드리므로 전체 정보를 바꾸지 못한다.

이런 성질을 위상적이라 한다. 고무판 위의 도형을 늘리거나 구부려도 구멍의 개수는 변하지 않는 것과 비슷한 의미다. 세부 모양은 변해도 전체 구조의 성질은 유지된다.

필요한 입자

이 방식에는 특별한 성질의 준입자가 필요하다. 두 입자의 위치를 맞바꿨을 때, 단순히 원래대로 돌아가지 않고 계가 다른 상태로 옮겨 가는 성질이다. 어떤 순서로 맞바꿨는지가 결과에 남는다.

이런 성질을 가진 준입자를 비아벨 애니온이라 한다. 위치를 서로 엮는 동작 자체가 계산이 된다.

마요라나 준입자가 후보로 연구돼 왔다. 초전도체와 특정 반도체 나노선을 결합한 구조의 양 끝에 나타날 수 있다는 이론적 예측이 있다.

아직 확립되지 않았다

이 분야에서 주의가 필요한 부분이 있다.

마요라나 준입자를 관측했다는 보고가 여러 차례 나왔으나, 이후 검증 과정에서 해석이 뒤집힌 사례가 있다. 관측된 신호가 다른 원인으로도 설명될 수 있다는 지적이 제기됐고, 일부 논문은 철회됐다.

현재 위상 양자컴퓨팅은 다른 방식에 견주어 훨씬 이른 단계에 있다. 초전도 회로나 이온 덫을 쓰는 방식은 이미 수십에서 수백 큐비트 규모의 장치가 작동하고 있지만, 위상 방식은 기본 요소의 존재를 확립하는 단계다.

왜 계속 연구하나

그럼에도 연구가 이어지는 이유는 성공했을 때의 이점이 크기 때문이다.

오류 정정에 드는 부담이 크게 줄면 필요한 큐비트 수가 수백분의 일로 줄어들 수 있다. 실용적인 규모의 양자컴퓨터를 만드는 경로가 짧아진다는 뜻이다.

다만 언제 가능할지에 대해서는 전망이 갈린다. 기본 입자의 존재 자체가 확정되지 않은 상태이므로, 일정을 말하기 어렵다는 것이 이 분야의 일반적인 평가다.