[📪정보] 마이크로소프트의 Majorana 1 칩, 양자 컴퓨팅의 새로운 길을 열다

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마이크로소프트의 Majorana 1 칩, 양자 컴퓨팅의 새로운 길을 열다

캐서린 볼가르 (Catherine Bolgar)  

2025년 2월 19일

마이크로소프트는 오늘 새로운 Topological Core 아키텍처로 구동되는 세계 최초의 양자 칩 Majorana 1을 공개했습니다. 이 칩은 수십 년이 아닌 수년 내에 의미 있는 산업 규모의 문제를 해결할 수 있는 양자 컴퓨터를 실현할 것으로 기대됩니다.

Majorana 1은 세계 최초의 topoconductor(토폴로지 전도체)를 활용합니다. 이는 Majorana 입자를 관찰하고 제어할 수 있는 획기적인 물질로, 양자 컴퓨터의 기본 구성 요소인 큐비트(qubit)를 보다 안정적이고 확장 가능하게 생성합니다.

마이크로소프트는 "반도체의 발명이 오늘날의 스마트폰, 컴퓨터, 전자제품을 가능하게 한 것처럼, topoconductor와 이를 기반으로 한 새로운 칩은 백만 큐비트로 확장 가능한 양자 시스템을 개발하고, 가장 복잡한 산업 및 사회 문제를 해결할 수 있는 길을 열어줍니다"라고 밝혔습니다.

마이크로소프트의 기술 펠로우 체탄 나약(Chetan Nayak)은 "우리는 한 걸음 물러서서 '좋아, 양자 시대를 위한 트랜지스터를 발명하자. 어떤 속성이 필요할까?'라고 고민했습니다. 그리고 그 결과가 바로 여기 있습니다. 새로운 물질 스택의 특정 조합, 품질, 그리고 중요한 세부 사항이 새로운 종류의 큐비트와 우리의 전체 아키텍처를 가능하게 했습니다"라고 말했습니다.

Majorana 1 프로세서를 개발한 이 새로운 아키텍처는 손바닥에 들어가는 단일 칩에 백만 큐비트를 탑재할 수 있는 명확한 경로를 제공한다고 마이크로소프트는 설명했습니다. 이는 양자 컴퓨터가 실질적이고 변혁적인 솔루션을 제공하기 위해 필요한 임계점입니다. 예를 들어, 미세 플라스틱을 무해한 부산물로 분해하거나 건설, 제조, 의료 분야에서 사용할 자가 치유 물질을 발명하는 등의 가능성을 열어줍니다. 현재 전 세계의 모든 컴퓨터가 합쳐져도 백만 큐비트 양자 컴퓨터가 할 수 있는 일을 해낼 수 없습니다.

나약은 "양자 분야에서 무엇을 하든 백만 큐비트로 가는 경로가 있어야 합니다. 그렇지 않으면 우리가 동기부여를 받는 정말 중요한 문제를 해결할 규모에 도달하기 전에 벽에 부딪힐 것입니다. 우리는 실제로 백만 큐비트로 가는 경로를 마련했습니다"라고 강조했습니다.

topoconductor(토폴로지 초전도체)는 고체, 액체, 기체가 아닌 토폴로지 상태라는 완전히 새로운 물질 상태를 창출할 수 있는 특별한 물질입니다. 이를 활용하면 빠르고 작으며 디지털로 제어 가능한 안정적인 큐비트를 생성할 수 있으며, 기존 대안에서 요구되는 절충 없이도 가능합니다. 수요일 Nature에 발표된 새로운 논문은 마이크로소프트 연구진이 토폴로지 큐비트의 이국적인 양자 속성을 생성하고 이를 정확히 측정할 수 있었던 과정을 설명합니다. 이는 실용적인 컴퓨팅을 위한 필수 단계입니다.

이 획기적인 성과는 인듐 비소(indium arsenide)와 알루미늄(aluminum)으로 구성된 완전히 새로운 물질 스택을 개발해야 했습니다. 이 물질은 마이크로소프트가 원자 단위로 설계하고 제작한 결과물입니다. 목표는 Majorana 입자라는 새로운 양자 입자를 존재하게 하고, 그 독특한 속성을 활용해 양자 컴퓨팅의 다음 지평에 도달하는 것이었습니다.

Majorana 1을 구동하는 세계 최초의 Topological Core는 설계 단계부터 신뢰성을 갖추었으며, 하드웨어 수준에서 오류 저항성을 통합해 더욱 안정적입니다.

상업적으로 중요한 응용 프로그램은 백만 큐비트에서 수조 번의 연산을 요구하는데, 이는 각 큐비트의 미세 조정된 아날로그 제어에 의존하는 현재 접근법으로는 불가능합니다. 마이크로소프트 팀의 새로운 측정 방식은 큐비트를 디지털로 제어할 수 있게 해, 양자 컴퓨팅의 작동 방식을 재정의하고 크게 단순화합니다.

이 진전은 마이크로소프트가 수년 전 토폴로지 큐비트 설계를 추구하기로 한 선택을 입증합니다. 이는 높은 위험과 높은 보상을 안고 있는 과학적·공학적 도전이었으며, 이제 결실을 맺고 있습니다. 현재 회사는 백만 개로 확장 가능하도록 설계된 칩에 8개의 토폴로지 큐비트를 배치했습니다.

마이크로소프트의 기술 펠로우 마티아스 트로이어(Matthias Troyer)는 "처음부터 우리는 단순한 사상적 리더십이 아닌 상업적 영향력을 위한 양자 컴퓨터를 만들고 싶었습니다. 새로운 큐비트가 필요하다는 점, 그리고 확장해야 한다는 점을 알았습니다"라고 말했습니다.

이 접근법은 국가 안보에 중요한 획기적인 기술에 투자하는 연방 기관인 국방고등연구계획국(DARPA)이 마이크로소프트를 엄격한 프로그램에 포함시키는 계기가 되었습니다. 이 프로그램은 혁신적인 양자 컴퓨팅 기술이 기존에 믿어졌던 것보다 더 빠르게 상업적으로 유의미한 양자 시스템을 구축할 수 있는지 평가하는 것을 목표로 합니다.

마이크로소프트는 이제 DARPA의 Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC) 프로그램 최종 단계에 초대된 두 기업 중 하나입니다. 이 프로그램은 DARPA의 더 큰 Quantum Benchmarking Initiative를 구성하는 일부로, 산업 최초의 유틸리티 규모 내결함성 양자 컴퓨터(계산 가치가 비용을 초과하는 컴퓨터)를 제공하는 것을 목표로 합니다.

'그냥 답을 줍니다'

마이크로소프트는 자체 양자 하드웨어를 개발하는 것 외에도 Quantinuum 및 Atom Computing과 협력해 오늘날의 큐비트로 과학적·공학적 돌파구를 이루었으며, 작년에 업계 최초의 신뢰할 수 있는 양자 컴퓨터를 발표하기도 했습니다.

이러한 기계는 양자 기술 개발, 하이브리드 애플리케이션 구축, 새로운 발견을 주도할 중요한 기회를 제공합니다. 특히 AI가 더 많은 안정적인 큐비트로 구동되는 새로운 양자 시스템과 결합될 때 더욱 그렇습니다. 현재 Azure Quantum은 고객이 Azure의 선도적인 AI, 고성능 컴퓨팅, 양자 플랫폼을 활용해 과학적 발견을 발전시킬 수 있는 통합 솔루션 제품군을 제공합니다.

하지만 양자 컴퓨팅의 다음 지평에 도달하려면 백만 개 이상의 큐비트를 제공하고 수조 번의 빠르고 신뢰할 수 있는 연산에 도달할 수 있는 양자 아키텍처가 필요합니다. 오늘의 발표는 그 지평을 수십 년이 아닌 수년 내로 앞당겼다고 마이크로소프트는 밝혔습니다.

양자 컴퓨터는 양자 역학을 활용해 화학 반응, 분자 상호작용, 효소 에너지 등 자연의 작동 방식을 놀라운 정밀도로 수학적으로 매핑할 수 있습니다. 이에 따라 백만 큐비트 기계는 오늘날의 고전 컴퓨터로는 정확히 계산할 수 없는 화학, 재료 과학, 기타 산업 분야의 특정 문제를 해결할 수 있습니다.

- 예를 들어, 재료가 왜 부식되거나 균열이 생기는지에 대한 어려운 화학 문제를 해결할 수 있습니다. 이는 다리나 비행기 부품의 균열, 깨진 휴대폰 화면, 긁힌 자동차 문을 수리하는 자가 치유 물질로 이어질 수 있습니다.

- 플라스틱 종류가 매우 다양하기 때문에 현재는 모든 플라스틱을 분해할 수 있는 만능 촉매를 찾는 것이 불가능합니다. 이는 미세 플라스틱 청소나 탄소 오염 해결에 특히 중요합니다. 양자 컴퓨팅은 오염 물질을 가치 있는 부산물로 분해하거나 처음부터 무독성 대안을 개발하기 위한 촉매의 속성을 계산할 수 있습니다.

- 생물학적 촉매인 효소는 양자 컴퓨팅만이 제공할 수 있는 행동에 대한 정확한 계산 덕분에 의료와 농업에서 더 효과적으로 활용될 수 있습니다. 이는 세계 기아 퇴치에 기여하는 돌파구로 이어질 수 있습니다. 예를 들어, 토양 비옥도를 높여 수확량을 증가시키거나 혹독한 기후에서 식량의 지속 가능한 성장을 촉진할 수 있습니다.

무엇보다 양자 컴퓨팅은 엔지니어, 과학자, 기업 등이 처음부터 올바르게 설계할 수 있게 해, 의료부터 제품 개발까지 모든 분야를 변혁할 수 있습니다. 양자 컴퓨팅의 힘과 AI 도구가 결합되면, 누군가가 원하는 새로운 물질이나 분자를 평범한 언어로 설명하기만 하면 즉시 작동하는 답을 얻을 수 있습니다. 추측이나 수년간의 시행착오가 필요 없습니다.

트로이어는 "무언가를 만드는 모든 회사는 처음부터 완벽하게 설계할 수 있습니다. 그냥 답을 줄 것입니다. 양자 컴퓨터는 AI에게 자연의 언어를 가르쳐, AI가 당신이 만들고 싶은 것에 대한 레시피를 알려줄 수 있게 합니다"라고 말했습니다.

규모에 맞춰 양자 컴퓨팅을 재고하다

양자 세계는 우리가 보는 세계를 지배하는 물리학 법칙과 다른 양자 역학 법칙에 따라 작동합니다. 여기서 입자는 큐비트(qubit) 또는 양자 비트라고 불리며, 이는 현재 컴퓨터가 사용하는 비트(1과 0)에 해당합니다.

큐비트는 까다롭고 환경에서 오는 교란과 오류에 매우 취약해 분해되고 정보가 손실됩니다. 또한 측정에 의해 상태가 영향을 받을 수 있는데, 이는 컴퓨팅에 필수적인 측정이 문제로 작용합니다. 내재된 도전 과제는 환경 잡음으로부터 보호하면서도 측정과 제어가 가능한 큐비트를 개발하는 것입니다.

큐비트는 다양한 방식으로 생성될 수 있으며, 각각 장단점이 있습니다. 약 20년 전, 마이크로소프트는 독특한 접근법을 선택했습니다. 토폴로지 큐비트를 개발하는 것으로, 이는 오류 수정이 덜 필요하고 안정적인 큐비트를 제공해 속도, 크기, 제어 가능성의 이점을 열어줄 것이라 믿었습니다. 이 방식은 미지의 과학적·공학적 돌파구를 요구하는 가파른 학습 곡선을 제시했지만, 상업적으로 가치 있는 작업을 수행할 수 있는 확장 가능하고 제어 가능한 큐비트를 만드는 가장 유망한 경로였습니다.

단점은 최근까지 마이크로소프트가 사용하려던 Majorana 입자라는 이국적인 입자가 관찰되거나 만들어진 적이 없었다는 점입니다. 이는 자연에 존재하지 않으며 자기장과 초전도체로만 생성할 수 있습니다. 이 입자와 관련된 토폴로지 물질 상태를 만들기 위한 적합한 물질 개발의 어려움 때문에 대부분의 양자 연구는 다른 큐비트에 초점을 맞춰 왔습니다.

Nature 논문은 마이크로소프트가 Majorana 입자를 생성할 수 있을 뿐만 아니라, 무작위 교란으로부터 양자 정보를 보호하고 마이크로파를 사용해 이를 신뢰할 수 있게 측정할 수 있다는 동료 검토 확인을 의미합니다.

Majorana 입자는 양자 정보를 숨겨 더 강력하게 만들지만, 측정하기 어렵습니다. 마이크로소프트 팀의 새로운 측정 방식은 초전도 와이어에서 10억 개와 10억 1개의 전자 차이를 감지할 정도로 정밀하며, 이는 큐비트의 상태를 컴퓨터에 알려 양자 계산의 기초를 형성합니다.

측정은 각 큐비트마다 다이얼을 미세 조정하는 대신, 전압 펄스로 전등 스위치를 켜고 끄듯 켜고 끌 수 있습니다. 디지털 제어를 가능하게 하는 이 간단한 측정 방식은 양자 컴퓨팅 프로세스와 확장 가능한 기계 제작의 물리적 요구를 단순화합니다.

마이크로소프트의 토폴로지 큐비트는 크기 면에서도 다른 큐비트보다 유리합니다. 매우 작은 것이라도 '골디락스(Goldilocks)' 구역이 존재한다고 트로이어는 설명했습니다. 너무 작은 큐비트는 제어 라인을 연결하기 어렵고, 너무 큰 큐비트는 거대한 기계를 요구합니다. 이런 큐비트에 개별 제어 기술을 추가하려면 비행기 격납고나 축구장 크기의 비현실적인 컴퓨터를 만들어야 합니다.

큐비트와 주변 제어 전자 장치를 모두 포함하는 마이크로소프트의 양자 칩 Majorana 1은 손바닥에 들어가며, Azure 데이터센터에 쉽게 배치할 수 있는 양자 컴퓨터에 깔끔하게 맞습니다.

나약은 "새로운 물질 상태를 발견하는 것과 그것을 활용해 규모에 맞춰 양자 컴퓨팅을 재고하는 것은 별개의 일입니다"라고 말했습니다.

원자 단위로 양자 물질 설계

마이크로소프트의 토폴로지 큐비트 아키텍처는 알루미늄 나노와이어가 H 형태로 결합된 구조를 가지고 있습니다. 각 H는 4개의 제어 가능한 Majorana 입자를 포함하며 하나의 큐비트를 구성합니다. 이 H들은 서로 연결될 수 있고, 칩 전체에 타일처럼 배치됩니다.

마이크로소프트의 기술 펠로우 크리스타 스보어(Krysta Svore)는 "새로운 물질 상태를 증명해야 한다는 점에서 복잡했지만, 그 이후로는 상당히 간단합니다. 타일처럼 배치되며, 훨씬 단순한 아키텍처로 더 빠른 확장 경로를 약속합니다"라고 설명했습니다.

양자 칩은 혼자 작동하지 않습니다. 제어 로직, 큐비트를 우주보다 훨씬 차가운 온도로 유지하는 희석 냉장고, AI 및 고전 컴퓨터와 통합 가능한 소프트웨어 스택이 포함된 생태계에 존재합니다. 이 모든 구성 요소는 내부에서 완전히 제작되거나 수정되었다고 그녀는 덧붙였습니다.

분명히, 이 프로세스를 계속 개선하고 모든 요소를 가속화된 규모로 함께 작동하게 하려면 수년간의 공학 작업이 더 필요합니다. 하지만 많은 어려운 과학적·공학적 도전이 이제 해결되었다고 마이크로소프트는 밝혔습니다.

토폴로지 물질 상태를 생성하기 위해 물질 스택을 제대로 만드는 것이 가장 어려운 부분 중 하나였다고 스보어는 덧붙였습니다. 실리콘 대신, 마이크로소프트의 topoconductor는 인듐 비소(indium arsenide)로 만들어졌으며, 이는 적외선 탐지기 등에 사용되는 물질로 특별한 속성을 가집니다. 이 반도체는 극한의 추위 덕분에 초전도성과 결합되어 하이브리드를 형성합니다.

그녀는 "우리는 말 그대로 원자 단위로 분사하고 있습니다. 이 물질들은 완벽히 정렬되어야 합니다. 물질 스택에 결함이 너무 많으면 큐비트가 망가집니다"라고 말했습니다.

"아이러니하게도, 이것이 우리가 양자 컴퓨터가 필요한 이유이기도 합니다. 이런 물질을 이해하는 것은 매우 어렵기 때문입니다. 확장된 양자 컴퓨터가 있다면, 규모를 넘어선 차세대 양자 컴퓨터를 구축하기 위해 더 나은 속성을 가진 물질을 예측할 수 있을 것입니다"라고 그녀는 덧붙였습니다.

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"아이러니하게도, 이것이 우리가 양자 컴퓨터가 필요한 이유이기도 합니다. 이런 물질을 이해하는 것은 매우 어렵기 때문입니다. 확장된 양자 컴퓨터가 있다면, 규모를 넘어선 차세대 양자 컴퓨터를 구축하기 위해 더 나은 속성을 가진 물질을 예측할 수 있을 것입니다"라고 그녀는 덧붙였습니다. 이게 핵심이노

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