[서학!스타] 아이온큐, 초당 1000회 양자 얽힘 구현…기존 기록 4배 뛰어넘은 기술의 정체는?

[CBC뉴스] 아이온큐(뉴욕증권거래소: IONQ)가 양자컴퓨터 간 연결 기술에서 새로운 기술적 성과를 세웠다. 초당 1000회를 넘는 양자 얽힘 구현에 성공하면서 차세대 양자 네트워크와 대규모 양자 데이터센터 구축에 한 걸음 더 다가섰다는 평가다.

아이온큐(IonQ)는 광자 인터커넥트(광자를 이용한 연결 기술)를 통해 이온트랩 큐비트와 고체 양자 메모리 사이에서 초당 1000회(1kHz) 이상의 양자 얽힘을 구현했다고 9일(현지시간) 발표했다.

양자 얽힘은 서로 떨어져 있는 양자 시스템이 하나의 연결된 시스템처럼 작동할 수 있도록 하는 핵심적인 양자역학 현상이다. 여러 양자컴퓨터를 하나의 네트워크로 연결하기 위해 반드시 필요한 기술로 꼽힌다.

이번 성과는 서로 다른 양자 기술의 강점을 결합했다는 점에서 주목된다.

이온트랩 큐비트는 양자 상태를 안정적으로 유지하는 결맞음 특성이 뛰어나며, 고체 양자 메모리는 빛과 효율적으로 상호작용할 수 있다는 장점이 있다.

아이온큐는 두 기술을 결합해 서로 다른 유형의 큐비트 사이에서 기존보다 빠른 양자 연결 속도를 구현했다고 설명했다. 회사 측은 이번 성과가 큐비트 간 양자 인터커넥트 속도에서 플랫폼을 통틀어 가장 빠른 수준이라고 강조했다.

니콜로 데 마시(Niccolo de Masi) 아이온큐 회장 겸 최고경영자(CEO)는 "아이온큐가 초당 1000회 이상의 양자 얽힘을 달성하면서 메모리 기반 양자 인터커넥트 기술의 중요한 이정표를 넘어섰다"고 밝혔다.

이어 "기존 데이터센터가 특화된 프로세서와 메모리, 네트워크를 연결해 대규모 시스템으로 발전했듯이 양자 시스템도 비슷한 방식으로 확장될 것"이라고 설명했다.

그는 "이번 기술적 돌파구는 양자 시스템의 확장을 가로막던 핵심적인 연결 병목 현상을 해결하고, 미래의 네트워크형 양자 데이터센터 구축을 위한 아이온큐의 기술 로드맵을 진전시키는 성과"라고 평가했다.

특히 이번 실험에서 구현한 양자 얽힘 속도는 기존 이온트랩 방식의 최고 기록보다 4배 이상 빠른 것으로 나타났다.

아이온큐에 따르면 이번 연구는 실제 하드웨어 환경에서 이온트랩 시스템과 실리콘 공공(Silicon Vacancy·SiV) 큐비트를 연결하는 종단 간 양자 통신 실험을 통해 진행됐다.

실리콘 공공 큐비트는 다이아몬드 결정 구조 내부의 특정 결함을 활용하는 기술로, 빛과의 상호작용을 통해 양자 정보를 저장하고 전달하는 데 활용할 수 있다.

이번 실험은 아이온큐가 개발해 온 SiV 기반 양자 메모리 플랫폼을 토대로 이뤄졌다.

기존 이온트랩 양자 얽힘 속도 기록은 아이온큐 공동 창업자인 크리스 먼로(Chris Monroe) 듀크대학교 교수 연구팀이 보유하고 있었다. 해당 연구팀 역시 이번 기술 논문에 공동 연구진으로 참여했다.

아이온큐 최고과학책임자이자 듀크대학교 길훌리 패밀리 석좌교수인 먼로는 "아이온큐의 양자 인터커넥트 연구는 회사 설립 당시부터 시작돼 10년 넘게 이어져 왔다"고 설명했다.

그는 "광자를 통해 큐비트의 양자 정보를 전달하는 기술은 모든 대규모 양자컴퓨터에 필수적"이라며 "이번 실증은 앞으로 이어질 중요한 연구 성과의 토대가 될 것"이라고 강조했다.

이번 기술이 주목받는 또 다른 이유는 특정 양자컴퓨팅 방식에만 적용되는 기술이 아니라는 점이다.

아이온큐는 자사의 양자 메모리 및 인터커넥트 기술이 사실상 대부분의 큐비트 유형과 연결될 수 있는 구조를 갖추고 있다고 설명했다.

스카이워터(SkyWater) 양자기술 부문 수석부사장 겸 총괄책임자인 미히르 바스카르(Mihir Bhaskar)는 "이번 연구는 광자 기반 양자 인터커넥트가 분산형 양자컴퓨팅의 병목 요인이 될 필요가 없다는 사실을 보여준다"고 밝혔다.

이어 "우리 기술은 거의 모든 유형의 큐비트와 연결할 수 있다"며 "모듈형 양자컴퓨팅부터 네트워크 기반 양자 센싱에 이르기까지 다양한 하드웨어 분야에서 새로운 기회를 열 수 있을 것"이라고 말했다.

아이온큐는 이번 기술을 미국 국방고등연구계획국(DARPA)의 HARQ 프로그램과도 연계하고 있다.

HARQ는 서로 다른 양자컴퓨팅 아키텍처를 연결할 수 있는 고속 양자 인터커넥트 개발을 목표로 하는 프로그램이다.

이번 실험에는 이온트랩 시스템이 활용됐지만, 아이온큐는 기본 기술 구조가 중성원자 방식과 초전도 방식 등 다양한 양자컴퓨팅 플랫폼에도 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

특히 초전도 큐비트의 경우 마이크로파 신호를 빛으로 변환하는 트랜스듀서(변환 장치)를 활용하면 광자 기반 양자 네트워크와 연결할 수 있다는 설명이다.

이는 향후 서로 다른 방식으로 개발된 양자컴퓨터를 하나의 네트워크로 통합할 가능성을 보여준다는 점에서 의미가 있다.

기술 개발과 함께 양자 메모리 및 인터커넥트 플랫폼의 상용화도 속도를 내고 있다.

아이온큐는 지난 4월 미국 메릴랜드대학교에 관련 시스템을 처음으로 상업 판매했다고 발표했다.

이어 9월에는 한국의 양자기술 기업 SDT에 두 번째 시스템을 판매한다고 밝혔다.

특히 SDT와의 협력은 아시아태평양 지역에서 첨단 양자컴퓨팅과 양자 네트워킹 기술을 함께 확대하기 위한 전략적 파트너십의 일환이다.

이번 성과는 아이온큐가 개별 양자컴퓨터의 성능 향상을 넘어 여러 양자 시스템을 연결하는 네트워크 기술까지 사업 영역을 확장하고 있음을 보여준다.

양자컴퓨터의 규모가 커질수록 개별 큐비트의 성능뿐 아니라 큐비트 사이에서 양자 정보를 얼마나 빠르고 안정적으로 전달할 수 있는지가 중요해진다.

아이온큐가 이번에 구현한 초당 1000회 이상의 양자 얽힘 속도는 이러한 연결 기술의 발전 가능성을 보여주는 성과다.

다만 이번 실험 결과가 곧바로 대규모 상용 양자 데이터센터의 완성을 의미하는 것은 아니다. 실제 대규모 시스템 구축을 위해서는 연결 안정성, 오류 관리, 네트워크 확장성 등 추가적인 기술 검증이 필요하다.

그럼에도 아이온큐가 기존 기록을 크게 웃도는 연결 속도를 입증하고 관련 시스템의 상업 판매까지 추진하고 있다는 점은 향후 양자 네트워크 시장에서 주목할 만한 대목이다.

양자컴퓨팅 경쟁이 개별 프로세서의 성능을 넘어 시스템 간 연결과 대규모 인프라 구축으로 확대되는 가운데, 아이온큐의 이번 기술적 진전이 미래 양자 데이터센터 시장에서 어떤 경쟁력으로 이어질지 관심이 쏠린다.

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▮ CBC뉴스ㅣCBCNEWS 권오성 기자