'영하 271도 작동' 다이아몬드 스핀 양자컴 나왔다

후지쯔, 세계 첫 개발…"2035년까지 1000논리 큐비트 달성"

후지쯔가 세계 최초로 광자 집적 회로(PIC)에 주석-공공(SnV, Tin-Vacancy) 센터를 통합한 ‘다이아몬드 스핀’ 양자컴퓨터 시제품을 개발했다고 과학전문매체 인터레스팅엔지니어링이 최근 보도했다.

이번 시제품의 가장 큰 특징은 섭씨 영하 271.6도에서 가동할 수 있다는 점이다. 극초저온 냉각 장치가 필수적인 기존 초전도 방식(영하 273.13도)보다 작동 온도 조건이 약 1.5도 높다. 이는 냉각 시스템 유지 부담과 비용을 줄이는 데 도움을 준다.

일본 후지쯔가 세계 최초 다이아몬드 스핀 양자컴퓨터 시제품을 개발했다. (사진=후지쯔)

후지쯔는 빛을 이용해 개별 컴퓨팅 모듈을 연결하는 이 기술이 향후 한 차원 더 강력한 양자 시스템 구축으로 이어질 것이라고 밝혔다. 후지쯔는 2027년까지 다중 모듈 기반의 다이아몬드 스핀 시제품을 완성하고, 2030년 250 논리 큐비트, 2035년 1000 논리 큐비트를 달성해 양자컴퓨팅을 실용화한다는 로드맵을 제시했다.

다이아몬드 결함을 큐비트로 변환

이 시제품은 큐비트를 생성하기 위해 다이아몬드 결정 내부의 격자 결함인 ‘컬러 센터(color center)’를 활용했다. 

다이아몬드 스핀 방식은 그 동안 탄소 원자 하나가 질소 원자로 대체되고 그 옆자리가 비어 있는 ‘질소-공극(NV)’ 센터에 주로 의존해 왔다.

반면 연구진은 다이아몬드 구조 내에서 주석 원자가 두 빈자리 사이에 위치하는 ‘주석-공공(SnV)’ 센터에 주목했다. 후지쯔 측은 SnV 센터가 특유의 대칭 구조 덕분에 기존 NV 센터보다 외부 노이즈에 덜 민감하다고 설명했다. 또한 SnV 센터는 NV 센터보다 약 10배 밝은 빛을 방출해, 양자 모듈 간 광학적 연결성을 대폭 높일 수 있다.

이러한 접근 방식은 양자 오류 수정 효율을 높이는 데도 유리하다. 양자 상태를 훨씬 안정적으로 유지할 수 있어, 적은 수의 물리적 큐비트만으로도 신뢰도 높은 ‘논리 큐비트’를 구현할 수 있기 때문이다.

광(光) 기반 양자 상호연결 기술

시스템 구현을 위해 후지쯔는 주석 이온이 주입된 고품질 다이아몬드 기판을 알루미나 및 이산화규소 기판에 접합하는 기술을 개발했다. 이후 양자 칩 탑재를 위해 수백 마이크로미터(㎛) 두께의 다이아몬드를 수백 나노미터(㎚) 수준으로 얇게 가공했다.

이어 SnV 센터를 포함한 나노미터 크기의 다이아몬드 구조와 알루미나 광 도파로를 결합한 광집적회로를 제작했으며, 빛과 마이크로파, 무선주파수(RF)를 결합해 다이아몬드 스핀 큐비트를 제어하는 메커니즘을 완성했다.

비벡 마하잔 후지쯔 최고기술책임자(CTO)는 “이 시제품에 적용된 다이아몬드 스핀 방식은 자체만으로도 뛰어난 확장성을 제공한다”며 “향후 초전도 양자컴퓨터와 통합돼 복잡하고 대규모의 계산을 수행할 수 있는 하이브리드 양자 플랫폼으로 확장될 잠재력이 크다”고 강조했다.

이번 시제품은 ‘후지쯔 하이브리드 양자컴퓨팅 플랫폼’을 통해 테스트 환경에서 클라우드 연동 가동에 이미 성공했다. 이번 연구는 네덜란드 델프트 공과대학교 및 양자기술 연구기관 큐테크와 2020년부터 진행해 온 공동 연구의 결실이다.

키스 에이켈 큐테크 연구소장은 “2020년부터 이어온 협력의 결과로 다이아몬드 스핀 양자컴퓨터 시제품을 세상에 선보이게 되어 매우 기쁘다”고 말했다.