미래를 혁신할 핵심 기술로 주목받는 양자 컴퓨터는 뛰어난 잠재력에도 불구하고 극도로 민감한 특성 때문에 '믿을 수 없는' 존재로 여겨져 왔다. 하지만 최근 과학계에서는 이러한 한계를 극복하고 꿈의 양자 컴퓨터를 현실로 만들기 위한 획기적인 연구 결과들이 잇따라 발표되고 있다. 

주변 환경의 미세한 방해에도 안정적인 연산을 가능하게 하는 '마법 입자'에 대한 연구와, 기존 물리학의 상식을 뛰어넘는 특이한 성질을 가진 새로운 물질을 합성한 연구는 양자 컴퓨터 상용화의 길을 더욱 밝히고 있다. 

불안정이라는 꼬리표를 떼고, 인류의 난제를 해결할 열쇠가 될 양자 컴퓨터. 그 꿈을 현실로 성큼 다가서게 만든 두 가지 혁신적인 연구 결과를 따라가 보자.

기존의 컴퓨터는 0과 1, 두 가지 상태만으로 정보를 처리하는 반면, 양자 컴퓨터는 큐비트라는 특별한 단위를 사용한다. 큐비트는 0과 1은 물론, 0과 1이 동시에 존재하는 '중첩'이라는 신비한 상태를 가질 수 있어 기존 컴퓨터로는 풀기 어려웠던 복잡한 문제들을 훨씬 빠르게 해결할 것으로 기대된다. 

하지만 큐비트는 주변의 아주 작은 소리나 빛, 온도 변화에도 쉽게 영향을 받아 그 상태가 깨져버리는, 마치 모래성 같은 존재다. 과학자들은 오랫동안 이 불안정성을 극복하고 안정적인 양자 컴퓨터를 만드는 방법을 찾아왔다.

마요라나 입자, 양자 안정성의 새로운 희망

최근 옥스퍼드 대학교, 델프트 공과대학교, 아인트호벤 공과대학교 연구팀과 퀀텀 머신즈 등 국제 공동 연구팀은 '마요라나 영 모드(Majorana zero modes, MZM)'라는 특별한 입자를 이용하여 양자 컴퓨터의 안정성을 획기적으로 높일 수 있는 방법을 찾아냈다. 

마요라나 영 모드는 주변 환경의 방해에도 강하게 저항하는 특이한 준입자로, 마치 옷감처럼 튼튼하게 얽혀 있어 외부의 간섭에도 쉽게 그 상태가 변하지 않아 이론적으로 오랫동안 안정적인 양자 정보를 저장하고 처리하는 데 매우 적합한 후보로 여겨져 왔다. 하지만 실제로 이 입자를 안정적으로 구현하는 것은 매우 어려운 과제였다.

연구팀은 양자점과 초전도 물질을 연결하여 만든 '3-사이트 기타예프 사슬'이라는 특별한 구조를 아주 정밀하게 설계했다. 이 특별한 사슬 구조는 마요라나 영 모드들을 마치 안전한 방에 격리시키듯, 서로 멀리 떨어뜨려 외부의 불안정한 요소로부터 보호하는 역할을 한다. 이 구조 안에서 마요라나 영 모드들이 서로 멀리 떨어져 안정적으로 존재할 수 있는 최적의 지점, 즉 '스위트 스폿'을 찾아낸 것이다. 이렇게 분리된 마요라나 영 모드들은 원치 않는 상호 작용을 줄이고 외부 노이즈에 대한 저항력을 크게 높여준다.

해당 연구 결과는 학술지 네이처 나노테크놀로지에 게재됐다. 

연구를 이끈 옥스퍼드 대학교 재료학과의 그레그 매주어 박사는 "이번 연구 결과는 기타예프 사슬을 확장하는 것이 마요라나 안정성을 유지할 뿐만 아니라 향상시킨다는 것을 증명하는 중요한 진전"이라며, "옥스퍼드에 새로 설립한 연구 그룹을 통해 이 연구를 더욱 발전시켜 더욱 확장 가능한 양자점 플랫폼을 만드는 데 집중할 것"이라고 밝혔다. 

앞으로 연구팀은 이 사슬을 더 길게 늘려 마요라나 영 모드들이 외부 환경으로부터 더욱 완벽하게 격리되어 안정성이 기하급수적으로 높아질 것으로 기대하고 있다. 이는 실용적인 양자 컴퓨터 개발에 중요한 발걸음이다.

새로운 물질의 탄생, 양자 기술의 혁신을 이끌다

한편, 러트거스 대학교 연구팀이 주도하는 국제 연구팀은 최근 기존의 양자 물리학으로는 이해하기 어려웠던 두 가지 특별한 물질을 결합하여 새로운 인공 구조를 만드는 데 성공했다. 마치 샌드위치처럼 얇게 쌓아 올린 이 구조는 미래 양자 컴퓨터의 핵심 재료가 될 수 있을 것으로 주목받고 있다.

연구팀이 결합한 두 가지 물질은 각각 독특한 성질을 가지고 있어 오랫동안 '불가능한 물질'로 여겨져 왔다. 하나는 원자력 발전소에서 방사성 물질을 가두는 데 사용되는 다이스프로슘 티타네이트로, 자연계에서 찾기 어렵다는 '자기 홀극(자기 단극)'이라는 특별한 입자를 붙잡아 둘 수 있는 성질을 가지고 있다. 마치 물 분자처럼 특별한 배열을 가진 이 물질은 내부에 작은 자석들이 갇혀 있어, 특정 조건에서 마치 N극만 있거나 S극만 있는 자석처럼 행동하는 자기 홀극을 만들어낼 수 있다. N극과 S극이 항상 함께 있는 일반적인 자석과 달리, 자기 홀극은 N극 또는 S극 중 하나만 가진 자석과 같은 입자다. 노벨상 수상자인 폴 디랙이 1931년에 그 존재를 예측했지만, 우주에서는 아직 발견되지 않았다.

다른 하나는 파이로클로어 이리데이트라는 새로운 자기 반금속으로, 독특한 전자적, 위상적, 자기적 특성 때문에 주로 실험 연구에 사용된다. 이 물질 안에는 빛처럼 빠르게 움직이고 회전 방향도 다른 '바일 페르미온(Weyl Fermions)'이라는 아주 작은 입자가 들어있다. 이 입자들은 마치 빛과 같은 속도로 움직이며, 전자의 흐름을 제어하는 데 매우 유용하여 미래의 초고속 전자 소자나 양자 컴퓨터의 재료로 주목받고 있다. 1929년 헤르만 바일에 의해 예측된 이 입자는 2015년에 처음으로 결정 형태로 발견되었으며, 전기를 매우 잘 통하게 하고 자기장이나 전자기장에 특별하게 반응하는 성질을 가지고 있어 전자 장치의 재료로 사용될 때 매우 안정적이다.

러트거스 대학교 물리학 및 천문학과의 자크 차칼리안 교수는 "이번 연구는 이전에는 불가능했던 방식으로 완전히 새로운 인공 2차원 양자 물질을 설계하는 새로운 방법을 제시하며, 양자 기술을 발전시키고 그 기본 속성에 대한 더 깊은 통찰력을 제공할 잠재력을 가지고 있다"고 말했다.

연구팀은 'Q-DiP'라는 새로운 장비를 직접 제작하여 이 두 가지 '불가능한' 물질을 원자 수준에서 정밀하게 쌓아 올리는 데 성공했다. 이 새로운 물질은 양자 컴퓨터는 물론, 차세대 양자 센서와 같은 첨단 기술에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

미래를 바꿀 양자 기술, 우리의 삶에 미칠 영향

지금까지 우리는 양자 컴퓨터라는 꿈을 향한 두 갈래의 획기적인 발걸음을 지켜보았다. 한 연구는 양자 컴퓨터의 안정성을 높이는 데 초점을 맞추었고, 다른 연구는 혁신적인 특성을 가진 새로운 물질을 제시했다. 

극미의 세계에서 펼쳐지는 과학자들의 끊임없는 탐구는, 한때 공상과학 소설 속 이야기로만 여겨졌던 양자 컴퓨터를 현실의 문턱 앞으로 데려왔다. 

양자컴퓨팅 기술이 상용화되면 신약 개발과 의학 연구에 혁신을 일으키고, 금융 , 물류, 제조 분야 등에서 비용을 획기적으로 절감해 일상 생활에 큰 영향을 미칠 것으로 보인다. 과학자들은 양자기술이 머신러닝 알고리즘에도 혁신을 일으켜 인공지능(AI) 시스템을 더욱 강력하게 만들 것으로 기대하고 있다.

불안정성을 극복하려는 노력과 상상조차 어려웠던 새로운 물질의 탄생은, 앞으로 우리가 경험하게 될 미래 컴퓨팅의 혁신을 예고하는 듯하다. 어쩌면 가까운 미래에는 지금은 상상할 수조차 없는 놀라운 능력으로 인류의 숙제를 해결하는 양자 컴퓨터가 우리 곁에 함께하게 될지도 모른다. 우리가 상상하는 미래는 과연 어떤 모습일까? 과학의 발걸음이 멈추지 않는 한, 꿈은 현실이 될 날을 기다리고 있다.