[기고] 진정한 양자 컴퓨팅 구축을 위한 여정

지난 수 년은 양자 컴퓨팅 분야에서 흥미로운 시기였다. 수 조원이 투자되었으며 다양한 의견들이 오고 갔다. 양자 커뮤니티는 활발히 활동하며 성장 모멘텀은 계속하여 증가하고 있다.

증가된 큐비트 수, 상업적으로 실행 가능한 시스템, 로드맵 및 관련 스타트업 등에 대한 다양한 기사가 게재되고 있고, 일부에서는 진정한 상용화가 코앞에 다가왔다고 주장한다.

이 같은 발전에도 불구하고 내결함성이 있는 100만 개 이상의 큐비트로 구성된 기계와 양자 컴퓨팅을 진정하게 상업적으로 사용하는 데는 10~15년이 걸릴 것이다.

그때야 비로소 양자 실용성을 달성해 상업적인 용도로 활용할 수 있게 되며, 양자 컴퓨터가 우리의 삶을 변화시키는 중요한 업무를 수행하게 된다.

이제 질문은 언제 상용화에 도달하는지가 아니라 50에서 수백 큐비트의 장치를 사용하여 ‘양자 이점(Quantum Advantage)’이 가능한지 여부와 그 기술이 어떤 모습인지에 초점을 맞춰야 한다. 이를 위해 큐비트 수를 늘리고 품질을 개선해야 한다.

■ 인텔, 실리콘 기반 큐비트서 성과

인텔은 지난 6년 동안 풀스택 상용 양자 시스템을 제공하기 위해 노력해 왔다. 인텔은 실리콘 트랜지스터 설계, 대량 생산 및 고급 제조 기술에 관한 회사의 깊은 전문 지식을 활용하여 실리콘 스핀 큐비트를 만들고 있다.

인텔이 실리콘 큐비트를 연구하는 유일한 기업은 아니지만, 최첨단 로직 기술을 사용하는 것과 동일한 공정 라인을 사용하여 큐비트를 만드는 유일한 기업이다. 또한 풀스택을 사용할 수 있다는 점에서 다른 양자 하드웨어 기업과 다르다.

인텔은 현재 실리콘 기반 큐비트를 양산하는 유일한 기업이다. 사진은 스핀 큐비트 웨이퍼.

실리콘 웨이퍼에 실리콘 스핀 큐비트를 만들고 트랜지스터와 유사한 큐비트 기술을 개발하면 무어의 법칙에 따라 대규모 시스템을 구축할 수 있다. 프로토타입을 팹 공정으로 변환하기까지 수 년이 걸리겠지만 인텔은 진전 중이다.

■ 극저온 양자 제어 칩부터 SDK까지 풀스택 개발

2020년 12월, 인텔은 반도체에 대한 경험을 활용해 양자 컴퓨팅과 관련된 상호 연결 문제를 해결할 수 있는 극저온 양자 제어 칩인 호스리지(Horse Ridge)를 공개했다. 이로써 큐비트를 구동하기 위해 극한의 온도로 유지하는 희석 냉동기를 연결하는 무수한 케이블을 제거하게 되었다.

극저온 제어칩 '호스리지'는 양자 컴퓨팅 제어에 필요한 케이블을 줄이는 데 도움을 주었다.

불과 4개월이 지난 지난 해 3월, 인텔은 큐비트를 측정하고 양자 노이즈 소스 및 양자점(quantum dot) 품질에 대한 정보를 수 분 내에 수집하는 장치인 크리오프로버(cryoprober)를 공개했다. 크리오프로버를 통해 과거 최대 몇 주간 걸려서 받아볼 수 있던 결과를 불과 몇 시간 만에 확인할 수 있게 됐다.

약 1년이 지난 올 4월, 인텔은 300mm 연구 개발용 제조 장비에서 업계 최초의 실리콘 스핀 큐비트 장치를 제조했다. 이는 상업용 양자 컴퓨터에 필요한 수천에서 수백만 큐비트로 확장하기 위한 중요한 단계이다. 이는 또한 기존 트랜지스터 라인에서 양자 칩을 제조하는 것이 큐비트 수와 품질 모두에서 낫다는 것을 입증한 결과이다.

올 9월에는 풀스택 소프트웨어 개발 키트인 인텔 퀀텀 SDK를 개발함으로써 개발자는 인텔의 양자 컴퓨팅 스택과 인터페이스할 수 있게 되었다. 이를 통해 개발자는 향후 시뮬레이션 및 실제 양자 하드웨어에서 큐비트를 실행하기 위한 새로운 양자 알고리즘을 프로그래밍할 수 있다.

지난 10월에는 극자외선(EUV) 리소그래피를 사용하여 300mm 실리콘 웨이퍼에서 큐비트를 대량 생산함으로써 단일 웨이퍼로 최대 1만 개의 작은 양자점 어레이를 맞출 수 있게 되었다.

■ 양자 컴퓨팅의 도약 위해 업계 전반의 협력 필요

인텔뿐 아니라 다른 기업들도 자체 칩과 양자 관련 운영 체제를 개발하기 위해 노력하고 있다. 이를 통해 오픈소스 라이브러리 및 새로운 큐비트 프로세서와 같은 기술적 진보가 있었다.

업계에서는 클라우드에서 양자 서비스를 제공하기 위해 하드웨어를 모든 소프트웨어 스택과 결합하는 방법을 모색하기 시작했다.

하지만 여전히 과제는 남아 있다. 업계에는 더 나은 큐비트 장치와 더 나은 품질의 큐비트가 필요하다. 이를 위해 큐비트 유형에 관계없이 더 나은 재료가 필요하다.