현재 관심을 끌며 양자컴퓨터를 운영하고 있는 IBM, Google, D-Wave 그리고 IonQ의 기업들은 극저온인 -273℃까지 낮추어 구동하는 것일까요? 실온에서 구동할 수는 없는 것일까요?
실제로 각 업체 운영 현황을 알아보고, 왜 양자컴퓨터를 극저온에서 구동하는 것인지, 각 주요 기업 및 연구 테마와 함께 설명하겠습니다.
1. IBM, Google, D-Wave, IonQ의 양자컴퓨터 진행 현황
각 IBM, Google, D-Wave, Ion-Q 양자컴퓨터의 연구개발 진행 방향은 다음과 같습니다.
i) IBM: 초전도 큐비트
IBM은 초전도를 구현할 수 있는 큐비트를 이용한 시스템을 이용하며 IBM Q System은 클라우드 기반으로 양자 컴퓨팅을 개발하고 있습니다.
■ 개발 현황:
IBM은 지속적으로 큐비트 수를 증가시키고 있으며, 2021년에 127큐비트를 가진 ‘이글’프로세서와 2023년에 133큐비트 기반 ‘헤론’을 개발했습니다. 이 기업은 2025년까지 4000큐비트를 목표로 하고 있습니다.
ii) Google: 초전도 큐비트
Google은 ‘Sycamore’라는 초전도 53큐비트 기반의 양자 프로세서를 사용하고 있으며, 이 기업은 양자 알고리즘의 성능을 시험하기 위한 연구를 진행하고 있습니다.
■개발 현황:
Google은 2019년 ‘양자 우월성’을 달성했다고 발표하며, 양자 컴퓨터가 고전 컴퓨터를 능가한 사례를 제시했습니다. 현재는 더 많은 큐비트 수와 정확성을 계속 향상하고 있습니다. 2030년까지 100만 큐비트의 양자컴퓨터 개발을 목표로 하고 있습니다.
iii) D-Wave: 양자 어닐링
D-Wave는 양자 어닐링(quantum annealing) 방식을 이용하여 양자 컴퓨터를 개발하고 있습니다. 어느 기업보다도 양자 컴퓨터를 일반적으로 사용할 수 있도록 상용화에 앞장서고 있으며, 특히 양자 시뮬레이션 연구에 집중하고 있습니다.
■개발 현황:
D-Wave는 5000큐비트 이상의 시스템을 개발하였으며, 다양한 분야에서 상용화된 양자 설루션을 제공하고 있습니다. 양자 어닐링 방식은 주어진 복잡한 문제를 한 번에 답을 내지 않고 시뮬레이션을 반복하며 답을 찾아가는 방식입니다. 간단하게 설명하면 양자 어닐링은 주로 가장 낮은 에너지 상태, 즉 가장 안정된 상태를 찾는 방식입니다.
D-Wave”양자 컴퓨터 사상 첫 실용 사례 달성” 2025.03.15
https://www.aitimes.com/news/articleView.html?idxno=168743
iV) IonQ: 이온 트랩 기술
IonQ는 이온 트랩 기술을 기반으로 한 양자 컴퓨터를 개발하고 있는 스타트업입니다. 이온 트랩 방식은 큐비트를 안정적으로 유지할 수 있는 장점이 있습니다. 이 업체는 양자컴퓨터 외에도 자체적으로 운영체제, 프로그래밍 언어 등을 개발했습니다.
■개발 현황:
IonQ는 2021년에 상장되었고, 현재 32 큐비트 시스템인 ‘아이온큐 포르테까지 개발을 마친 상태입니다. 이 업체는 아이온큐 퀀텀 클라우드의 인터넷을 통해 사용자들이 자신의 양자 컴퓨터 접근할 수 있도록 상용화하는데 성공하였습니다.
이와 같이 이들 각 회사는, 다른 기술적 접근 방식을 사용하고 있으며, 양자 컴퓨팅 생태계의 발전을 위해 서로의 연구개발을 지속적으로 활발히 진행하고 있습니다.
2. 극저온: 양자컴퓨터의 극저온인 이유는?
양자컴퓨터의 운영 온도가 극저온인 -273℃ 또는 그에 가까운 극저온에서 이루어지는 이유는, 주로 양자 상태의 안정성을 유지하기 위해서입니다. 다음과 같이 이러한 극저온 환경이 필요한 이유를 설명하는 몇 가지 주요 포인틀 설명하겠습니다/
i)양자 중첩 상태_양자 상태의 유지
양자컴퓨터의 큐비트는 0과 1의 양자 중첩 상태(Quantum Superposition)를 유지해야 합니다. 온도가 높아지면 열적 잡음(thermal noise)과 진동이 증가하여 양자 중첩 큐비트의 상태가 쉽게 붕괴할 수 있습니다. 저온에서 열적 에너지가 감소하면 이러한 효과를 줄일 수 있습니다.
ii) 원자의 진동_비선형 현상 최소화
온도가 올라가 고온이 되면, 원자의 진동이 증가하여 큐비트 간의 상호작용을 방해하고 비선형 효과를 증가시킵니다. 이는 큐비트의 동작을 불안정하게 하고 오류율을 높이게 됩니다.
iii) -273℃_초전도 큐비트의 사용
IBM, Google 등 많은 기업들이 양자컴퓨터에 초전도 큐비트를 사용하는데, 이와 같은 큐비트는 매우 낮은 온도에서 전자가 저항 없이 흐를 수 있습니다. 초전도 상태를 유지하기 위해서는 일반적으로 -273℃에 가까운 온도가 필요합니다.
iv) 열적소음 최소화_환경 소음 차단
양자 컴퓨터는 아주 작은 소음에도 붕괴의 영향이 있습니다. 극저온 환경은 외부에서 오는 전자기적 또는 열적 소음을 최소화하는 데 도움이 됩니다. 이는 큐비트가 외부 방해 없이 안정적으로 작동하기 위함입니다.
결론적으로, 양자컴퓨터는 낮은 온도를 유지함으로써 큐비트의 양자 상태를 안정적으로 유지하는 데 꼭 필요한 요소입니다. 그렇게 해야 오류를 최소화하며, 보다 효과적이며 안정적으로 계산을 수행할 수 있도록 합니다. 이러한 점이 양자컴퓨터가 극저온에서 작동하는 주요 이유입니다.
3. 마무리
지금까지 IBM, Google, D-Wave, 그리고 Ion-Q의 개발 현황과 왜 양자컴퓨터를 구현하기 위해서는 극저온이 필요한지에 대해 알아보았습니다. 얼마 전 Nvidia의 젠슨 황 CEO는 양자컴퓨터 상용화까지 15~30년 걸린다고 예측했지만, 앞에서 설명해 드린 기업들의 노력으로 그보다 훨씬 빠르게 우리 실생활에 상용화될 수도 있기를 기대해 봅니다.