MIT, ‘인공 원자’ 이용해 세계 최대 크기 양자칩 제조
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MIT, ‘인공 원자’ 이용해 세계 최대 크기 양자칩 제조
  • 입력 2020-07-09 17:27
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‘양자 마이크로 칩’ 다이아몬드센터, 큐비트정보 전달하는 ‘광자’ 방출

다이아몬드 원자 칩 여러 개와 질화알루미늄 결합해 128큐비트 달성

양자 원자들끼리 접촉시 양자 상태 벗어나 집적 어려웠던 어려움 극복

지난해 발표 구글 시카모어의 2²³ 중첩
MIT 연구진이 극초박형 다이아몬드 조각 안 원자들의 결함에 의해 생성된 ‘인공 원자’를 질화알루미늄 회로와 결합하는 방식으로 지금까지 알려진 것 가운데 가장 큰 양자 칩(128큐비트)을 생산하는 공정을 개발했다고 8일(현지시각) 발표했다. 그래픽은 양자 광학 칩과 그 조립 과정을 양식화된 렌더링으로 묘사하고 있다. 이미지 하단의 절반은 광집적회로(PIC)에서 라우팅하고 조작되는 단일광자 펄스를 방출하는 양자 마이크로칩(QMC)이 작동하는 모습을 보여준다. 위쪽의 이미지는 이 칩이 어떻게 만들어지는지를 보여준다. 다이아몬드원자로 만들어진 QMC는 별도로 제작돼 PIC로 전송된다. (사진=MIT 노엘 H 완)
MIT 연구진이 ‘인공 원자’를 이용해 개발한 양자칩(128큐비트)과 조립과정을 양식화 한 렌더링 모형. (사진=MIT 노엘 H 완)

미 매사추세츠공대(MIT) 연구진이 ‘인공원자’를 광자회로와 통합해 혼성(하이드리드) 양자칩을 만들었다. 칩을 만드는데 사용한 원자는 극초박형 다이아몬드 조각이다. 
 
연구진은 이 인공원자와 질화알루미늄을 결합한 독자적인 혼성 칩(hybrid chiplets) 제조공정을 통해 지금까지 알려진 양자칩 가운데 가장 큰 128큐비트(양자비트) 양자칩을 만들었다고 8일(현지시각) 네이처(the Nature)를 통해 발표했다.

양자 칩은 제조가 어렵거나 거의 불가능한 것으로 알려²져 왔기에 MIT의 연구원들은 이 분야에서 획기적 이정표를 그은 것으로 평가받고 있다.
 
더크 잉글런드 MIT 전기공학과 컴퓨터과학부 부교수와 그의 동료들은 발표문에서 “이 성과로  양자 프로세서 확장의 일대 전환점을 맞았다”며 “양자 컴퓨터를 만들기 위해서는 수백만 개의 양자 프로세서가 필요할 것이며 새로운 연구는 프로세서 생산을 확장할 수 있는 실행 가능한 방법을 보여준다”고 말했다.

양자칩이 뭐길래?...‘0’과 ‘1’ 외에 그 중간 상태까지 정보 처리·저장에 사용
 
실리콘이나 게르마늄 재료로 만든 칩을 탑재한 기존 컴퓨터들은 ‘0’들과 ‘1’들로 대표되는 2진수 비트를 이용해 정보를 처리·저장해 왔다.

그러나 최근 몇 년 동안 엔지니어들은 양자컴퓨터를 향해 달려왔는데 이 컴퓨터는 완전히 새로운 방식의 정보처리 및 저장 방식을 사용한다. 물리학자들은 극미 세계로 들어가면 입자가 ‘on’과 ‘off’ 사이의 스펙트럼을 따라 존재하는 이상한 속성을 발견했다. 이는 양자 컴퓨터로 만들어졌을 때 ‘동시에’ 여러 가지 계산을 할 수 있게 해 주면서 고전적 컴퓨터에서는 다루기 힘든 문제들을 해결해 줄 것으로 기대를 모으고 있다. 

양자 컴퓨터는 양자 비트, 즉 ‘큐비트(qubit, 양자(quantum)+비트(bit))’를 이용해 작동하는데, ‘0’, ‘1’ 또는 둘 다 동시에 나타낼 수 있다. 즉, 큐비트 신호는 동시에 켜지거나 꺼지거나, 또는 그 사이에 있을 수 있다. 이 컴퓨터는 모든 연산을 한꺼번에 (병렬처리방식으로) 시도하게 된다. 따라서 기존 컴퓨터가 연산할 때 연산시 모든 경로를 차례로 시도함으로써 문제를 해결하는 것보다 훨씬 더 빠르게 연산해 준다.    

잉글런드 교수는 “양자공학은 지난 20년 동안 이러한 인공 큐비트 시스템을 통합 전자제품에 버금가는 대규모로 제조하는 궁극적 비전을 가지고 있었다”고 말한다. 그동안 이 분야에서 이같은 뚜렷한 진전이 있었지만 양자 물질 제조라는 난관에 봉착했다. 

이는 양자 행동을 보이는 원자와 다른 원자 사이의 아주 작은 접촉조차도 원자를 즉시 양자 상태에서 벗어나게 하기 때문이다. 이는 양자 시제품(프로토타입)을 만드는 것까지는 쉬웠지만 전체 컴퓨터를 만드는 것을 어렵게 만들었다.

잉글랜드 교수팀의 퀀텀 마이크로칩으로 불리는 양자칩은?

양자칩의 광자 집적회로(IC)는 전자 집적회로(IC)와 비슷하지만 정보를 전달하기 위해 ‘전자’대신 ‘광자’를 사용하는 점에서 다르다. MIT 연구진은 큐비트 칩을 만들면서 전통칩에서 사용되던 게르마늄과 실리콘 소재를 다이아몬드 원자로 대체했다. 

잉글런드 교수팀이 ‘양자 마이크로 칩(QMC·Quantum Micro Chiplets)’으로 부르는 이 인공 원자들은 크게 세가지로 구성된다. 다이아몬드의 컬러 축들(컬러센터·colour centres), 인접한 탄소 원자가 빠진 다이아몬드 탄소 격자의 결함, 그리고 다른 원소에 의해 채워지거나 비어 있는 공간이 그것이다.

각 다이아몬드 중심은 스핀 상태에서 큐비트를 형성하는 원자처럼 방출기 역할을 한다. 다이아몬드 속의 결함으로 만들어진 이 인공원자들은 가시광선과 마이크로파 자극을 받으면  빛의 색깔 입자(광자)들을 방출하면서 큐비트로 대표되는 양자 정보를 전달하는 빛의 색깔입자, 즉 광자를 방출한다.

그러나 이 모델을 사용할 때의 문제는 규모를 확장할 수 있는 플랫폼을 구축해 수천에서 수백만 큐비트에 이르는 대용량 칩을 만드는 것이다.

 잉글런드와 함께 논문을 작성한 노엘 H. 완  MIT 연구원은 발표문에서 “다이아몬드 컬러 축이 솔리드 스테이트 큐비트를 잘 만들지만 이 플랫폼의 병목(bottleneck)은 실제로 수천 내지 수백만 큐비트로 확장할 수 있는 시스템과 장치 아키텍처 구축에 있다”고 말했다. 또 “인공 원자는 고체 결정 안에 있고, 원치 않는 오염은 결맞음시간(coherence time, 광파가 위상 변함없이 사인 함수 형태를 유지하는 시간 간격)과 같은 중요한 양자 특성에 영향을 줄 수 있다. 게다가 결정 내부의 변화는 큐비트를 서로 다르게 만들 수 있고, 그것은 이 시스템 확장을 어렵게 만든다”고 덧붙였다.

잉글런드 교수는 “이 매우 활발한 연구 분야에서 괄목할 만한 진전이 있었지만, 이같은 제작과 재료 간의 복잡한 문제로 인해 지금까지 광 시스템 당 2~3개의 방출기(emitter) 수율을 보이는 데 그쳤다”고 말했다.

이에따라 연구진은 이 양자칩 전체를 다이아몬드로 만들기보다는 혼합(하이브리드) 방식을 택하기로 했다.

잉글런드와 그의 팀이 8일 네이처(Nature)지에서 설명대로 이 과정은 여러 개의 다이아몬드 기반 큐비트를 포함하는 조심스럽게 선별한 ‘퀀텀 마이크로 칩(QMC)’을 질화알루미늄(aluminum nitride) 광자 집적 회로(IC)에 조심스레 배치하는 혼성 접근법이다. 

연구원들은 다이아몬드로 된 큰 양자 칩을 만드는 대신에 모듈을 만드는 하이브리드 방식을 택하기로 결정했다.

완 연구원은 “우리는 반도체 제조 기술을 사용해 이 작은 다이아몬드 원자 칩의 조합을 만들고, 그 중에서 최고 품질의 큐비트 모듈만을 선택했다”고 말했다. 그는 “그리고 나서 우리는 그 칩들을 한 조각씩 다른 칩과 통합했다”고 설명했다. 이를 통해 “여러 개의 칩이 더 큰 칩으로 만들어져 하나의 플랫폼에서 128큐비트를 집적할 수 있게 됐다”고 밝혔다.

빛을 이용한 정보를 전달하는 광전자학은 낮은 손실률로 회로 내 모듈 사이의 경로를 찾아가고 신호를 연결하고 끊어주기 위한 아키텍처를 제공한다. 이때의 집적회로 플랫폼으로는 기존 에 흔히 사용되는 실리콘이 아닌 질화알루미늄 화합물이었다.

루는 "다이아몬드 컬러 축들은 가시광 대역에서 광자를 방출(emit)한다. 그러나 기존의 반도체 실리콘은 가시광선을 흡수하기 때문에 광자 플랫폼을 만들기 위해 질화알루미늄으로 눈을 돌리게 됐다“고 설명했다.

다음 단계는 칩의 처리 능력 시험 

양자 컴퓨터는 이미 고전적인 컴퓨터로는 할 수 없는 고속 연산을 떠맡고 있다. 지난해 11월 구글은 지난해 세계 최고성능 슈퍼컴인 IBM 써밋으로 1만년 걸릴 특수 연산을 자사의 양자 컴퓨터인 시카모어(Sycamore)로 단 200초 만에 마칠 수 있었다고 주장했다. 시카모어는 53 큐비트 양자 컴퓨터다. 구글에 따르면 큐빗 상태에서  53 큐빗은 2의 53승 가지의 상태를 중첩할 수 있으며 엄청난 숫자의 양자 난수를 생성할 수 있다. MIT의 새로운 양자칩은 2의 128승 가지의 상태를 중첩할 수 있는 셈이다. 앞서 지난 2011년 양자컴퓨터를 제작해 발표한 캐나다 디웨이브(D-Wave)는 지난 2017년 2000큐비트 양자컴퓨터를 개발해 기존컴퓨터보다 1억배 빠른 연산속도를 낼 수 있게 됐다고 밝힌 바 있다.

IBM·인텔·마이크로소프트(MS)도 비슷한 컴퓨터를 만들고 있다. 이 양자컴퓨터들은 도시 계획, 날씨와 인구 급증과 같은 변수를 수용하는 데에서부터 빅뱅을 시뮬레이션(모의 실험)하는 것과 같은 과학적 연구 등에 다목적으로 사용될 수 있다.

이번 연구에 참여하지 않은 마코 론차르 하버드대 전기공학과 교수는 “그들은 매우 훌륭한  양자 메모리를 유지하면서 광학 플랫폼에서 안정적인 방출기(emitter)를 확보할 수 있었다”며“기술적인 면에서는 상당히 흥미진진하다”고 말했다.

네이처에 발표된 이 논문의 다른 저자들은 MIT 연구원인 노엘 H. 완, 충주 루, 케빈 C 첸, 마이클 P. 월시, 매튜 E. 트루샤임, 로렌초 데 산티스, 에릭 A. 비엘레옉, 아이작 B. 해리스, 새라 L 모라디언과 이안 R. 크리스틴, 그리고 샌디아 국립연구소의 에드워드 S 비엘레옉이다.

 

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