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[IT뉴스]양자컴도 ‘반도체의 길’ 간다… IBM, 실리콘 양자칩 승부수

온카뱅크관리자

2026-07-31 04:37:30

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 상용화 연구 성과 ‘네이처’에 공개 초전도회로 기반 양자컴 선두주자… ‘실리콘 스핀’ 개발 미국 기업 인수 큐비트 제어-오류정정 한 칩 통합… 큐비트 5개씩 묶어 데이터 검사 “실용 양자컴, 공학의 문제” 논평 
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 미국 HRL연구소가 개발한 실리콘 스핀 큐비트 기반 양자프로세서(QPU) 모식도. 연구팀은 양자컴퓨터를 구성하는 배선·제어·오류 정정 단위를 하나의 시스템으로 통합했다. HRL연구소 제공
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 미국 IBM은 23일(현지 시간) 실리콘 스핀 양자컴퓨터를 개발하는 미국 민간 연구개발 기업 HRL연구소를 인수하는 계약을 체결했다고 발표했다. 그동안 초전도 회로 기반 양자컴퓨터 개발을 선도하던 IBM이 새로운 형태의 양자컴퓨터에 주목한 것이다. 실리콘 스핀 양자컴퓨터는 기존 실리콘 기반의 반도체 공정과 연계가 용이해 확장성, 양산성이 뛰어난 것으로 평가된다.
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 IBM의 인수 계약이 이뤄지자마자 HRL연구소는 실리콘 스핀 양자컴퓨터 상용화에 한 걸음 다가서는 연구 성과를 29일 국제학술지 ‘네이처’에 전격 공개했다. 양자컴퓨터의 정보처리 단위인 큐비트를 대규모로 제어하고 오류 정정을 자동으로 수행하는 양자프로세서(QPU) 구조를 새롭게 제시한 것이다. 
 ● 실리콘 큐비트 제어·오류 정정 시스템 통합
 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터로는 해결이 불가능한 유형의 문제를 풀 수 있는 미래 전략기술이다. 양자 현상을 이용한 정보처리 단위 ‘큐비트’로 계산을 수행한다. 큐비트의 형태는 구동 방식에 따라 다양하다. 
 실리콘 스핀 큐비트는 실리콘의 전자 스핀 상태를 큐비트로 활용한다. 실리콘에 전자 1개가 들어갈 정도로 매우 작은 공간인 양자점을 만들면 인접한 양자점에 전자가 있을 때 두 전자의 스핀 상태가 서로 영향을 준다. 양자점 사이의 전압을 조절해 스핀 상호작용 세기를 조절하는 방식으로 계산을 수행한다.
 상용 양자컴퓨터 구현을 위해서는 큐비트 다수를 칩 위에 배열·제어하고 오류를 정정하는 게 핵심 과제다. 실리콘 스핀 큐비트는 고밀도로 집적할 수 있지만 현재 제어 방식으로는 큐비트 규모가 커질수록 외부 전자장치와 연결해야 하는 배선 수도 늘어나 열이 많이 발생하고 큐비트 속 정보가 쉽게 손상되는 문제가 있다.
 HRL연구소 연구팀은 극저온 환경에서 디지털로 프로그래밍할 수 있는 맞춤형 제어칩을 통합한 실리콘 QPU를 개발했다. 제어 전자장치를 큐비트와 가까운 저온 환경에서 작동시켜 열 유입과 배선 부담을 줄이고 계산 중에 반복적인 양자 오류 정정이 가능하도록 설계했다. 연구팀은 18큐비트급 QPU를 구현하고 이 중 최대 7큐비트를 이용한 오류 정정 과정을 관찰하는 데도 성공했다. 양자컴퓨터를 구성하는 배선·제어·오류 정정 단위를 하나의 시스템으로 묶었다는 게 핵심 성과다. 
 ● 이동형 큐비트로 연결성 개선
 큐비트 사이의 연결성 확보도 대규모 상용 양자컴퓨터의 주요 과제 중 하나다. 큐비트를 촘촘히 배치하면 가까운 큐비트끼리는 쉽게 연결할 수 있지만 의도하지 않은 상호작용이 발생하기 쉽고 전극과 센서 배치도 어려워진다. 리번 판데르시펀 네덜란드 델프트공대 교수팀은 물리적으로 떨어진 실리콘 스핀 큐비트 간 연결에 필요한 핵심 구조를 구현하고 연구 결과를 같은 날 네이처에 공개했다.
 연구팀은 움직일 수 있는 특성을 지닌 ‘앤실라 큐비트’를 데이터가 담긴 4개의 고정 큐비트 사이에서 왕복시키는 ‘스핀 셔틀링’ 구조를 구현했다. 앤실라 큐비트가 버스처럼 고정 큐비트 사이를 오가며 장거리 상호작용을 매개하고 오류 정정에 필요한 다중 큐비트 패리티 검사를 수행한다. ‘패리티’ 검사는 데이터의 정확한 값을 확인하지 않고도 오류가 있었는지 알려주는 특정 패턴을 검사하는 과정이다. 데이터가 들어있는 방마다 일일이 검사 장비를 설치하는 대신 검사원이 복도를 이동하며 여러 방을 순찰하듯 오류를 확인하는 것과 유사하다. 떨어져 있는 큐비트들을 5개씩 한 팀으로 묶어, 효율적으로 오류를 잡아내고 고칠 수 있도록 만든 셈이다. 
 이번에 공개된 2건의 연구 결과 모두 실리콘 반도체 공정과 양자컴퓨팅 기술을 결합해 큐비트 수를 늘리고 칩 내부 연결성을 높이는 공학적 접근이다. 유용한 양자 연산에 필요한 대규모 큐비트 집적과 낮은 오류율, 장시간 안정성은 추가 검증이 필요하다.
 나탈리아 아레스 영국 옥스퍼드대 교수는 네이처 논평에서 “실용적인 양자컴퓨터는 물리학뿐 아니라 공학의 문제이기도 하다는 점을 보여 준다”며 “실리콘 QPU가 기존 반도체 칩과 비슷한 추세로 발전할지는 아직 불확실하다”고 밝혔다.
 IBM은 미래 양자컴퓨터가 전자 스핀 혹은 초전도 기술을 기반으로 개발되거나 두 기술을 결합한 형태가 될 수 있다고 본다. 롭 바스케스 HRL연구소 최고경영자(CEO)는 “지금의 컴퓨팅을 가능하게 한 건 성능이 가장 뛰어난 기술이 아니라 저렴한 비용으로 대량생산하는 기술”이라며 “양자컴퓨터도 비슷한 길을 갈 것이며 우리의 접근이 기술을 경제적으로 만들어 산업과 과학 문제를 해결할 것”이라고 밝혔다.
 스핀 전자에서 방향과 크기를 갖는 물리량. 스핀의 방향에 따라 정보를 0 또는 1로 정의할 수 있다.
 이병구 동아사이언스 기자 2bottle9@donga.com 
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