Microsoft, 퀀텀 프로세서 'Majorana 1' 공개

• 위상 큐비트(topological qubits)로 구동되는 세계 최초의 양자 프로세서인 Majorana 1을 공개
• Microsoft는 topoconductor라는 혁신적 물질을 이용해 Majorana 1을 개발함
  • 이는 실용적 양자 컴퓨팅으로 도약하는 데 중요한 전환점임
  • 양자 컴퓨터가 과학과 사회 전반에 변혁을 가져오기 위해서는 대규모 확장과 양자 오류 정정의 신뢰성이 필수임
  • 오늘 발표된 내용은 이를 빠르게 실현하기 위한 핵심 진전
• Majorana 1: 토폴로지적 코어를 탑재한 세계 최초 QPU. 단일 칩에 최대 백만 개의 큐비트로 확장 가능함
• A hardware-protected topological qubit:
  • Nature 논문과 Station Q 미팅에서 연구 결과 공개
  • 작은 크기, 빠른 속도, 디지털 기반 제어가 특징임
• 안정적 양자 연산을 위한 장치 로드맵:
  • 단일 큐비트 장치에서 시작해 양자 오류 정정이 가능한 어레이로 확대해 나가는 경로임
• 세계 최초의 결함 내성 프로토타입(fault-tolerant prototype, FTP) 구축:
  • DARPA US2QC 프로그램 최종 단계를 통해, 수년 내 확장 가능한 양자 컴퓨터 프로토타입을 완성하려는 목표를 가지고 있음

새로운 종류의 물질 활용

• Microsoft가 topoconductor라는 혁신적 물질을 개발해냄
  • 이 물질은 인듐 아세나이드(Indium Arsenide, 반도체)와 알루미늄(Aluminum, 초전도체)을 결합해 토폴로지적 초전도 상태를 구현함
  • 온도를 극저온으로 낮추고 자기장을 조절하면, 나노 와이어 끝에 Majorana Zero Modes(MZMs) 를 형성할 수 있음
  • 전자들이 짝을 이루지 않은 상태로 분산되어 양자 정보를 저장하는 특성을 이용함
• 이런 구조에서 양자 정보를 읽어내는 방법이 까다로웠지만, 양자 닷(quantum dot) 을 활용해 이를 해결함
  • 양자 닷을 통해 전하량 변화를 측정하고, 그 반사율 변화를 관측해 나노 와이어의 짝수/홀수(=페어리티) 상태를 파악함
• 초기 측정 시 1% 정도의 오차율이 있었고, 이를 낮출 수 있는 명확한 경로가 확인됨
• 외부 에너지(전자파 등)가 쌍을 깨뜨릴 가능성이 있지만, 밀리초 단위로 드물게 발생함이 확인됨
• 결국, 이 독특한 물질은 양자 정보 보호에 유리하며, 이를 측정하는 안정적 방식도 구축됐음

디지털 정밀도를 통한 양자 제어 혁신

• 측정 기반의 연산 방식을 채택해, 기존의 아날로그 제어 의존도를 낮추는 전략임
• 기존 방식은 각 큐비트를 회전시키기 위해 복잡하고 정밀한 신호가 필요함
• 반면 Microsoft의 측정 기반 방식은 간단한 디지털 펄스를 통해 양자 상태를 읽고 연산을 수행함
• 이는 양자 오류 정정(QEC) 과정을 단순화해, 다수의 큐비트를 동시에 관리하기 훨씬 수월해짐

물리에서 공학으로

• Microsoft는 단일 큐비트 장치인 테트론(tetron) 을 기반으로 확장 가능한 아키텍처를 제시함
  • 테트론은 서로 평행한 두 개의 토폴로지적 와이어와, 이를 연결하는 초전도 구조로 이루어짐
  • 각 와이어 양 끝에 MZM이 존재해, 네 개의 MZM으로 하나의 테트론을 구성함
• 연구팀은 이미 테트론 내 단일 나노 와이어의 페어리티를 측정하고, 다른 양자 닷을 활용한 슈퍼포지션 실험도 진행함
• 다음 단계로 4×2 테트론 배열을 구성해 다큐비트 환경을 시험하고, 궁극적으로 양자 오류 정정으로 이어지는 로드맵을 수립함
• 토폴로지적 큐비트의 내재적 보호 특성과, Microsoft의 맞춤형 오류 정정 코드가 결합해 필요한 물리적 큐비트 수와 동작 클록을 크게 최적화할 수 있음

DARPA가 인정한 접근 방식

• DARPA의 Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing(US2QC) 프로그램에서 Microsoft는 최종 단계에 진입함
• 이는 Microsoft가 토폴로지적 큐비트 기반 양자 컴퓨터를 구축할 수 있다는 계획이 신뢰할 만하다고 판단된 결과임
• 최종 단계에서 Microsoft는 단 몇 년 안에 fault-tolerant prototype(FTP) 을 완성해, 실용적 규모의 양자 컴퓨팅으로 가는 속도를 앞당길 계획임
• 이 프로토타입이 완성되면, 기존 슈퍼컴퓨터로는 풀기 어려운 문제들을 양자적으로 해결할 수 있는 중요한 전환점이 될 것임

양자 컴퓨팅의 잠재력 실현

• 18개월 전 Microsoft가 제시한 양자 슈퍼컴퓨터 로드맵에서 현재 두 번째 이정표에 도달함
  • 첫 번째는 토폴로지적 큐비트에 대한 개념 증명
  • 두 번째는 실제 장치에서 topological qubit을 구현해낸 것임
• 이미 한 칩에 여덟 개의 토폴로지적 큐비트를 배치했고, 이 시스템이 백만 개 큐비트로 확장될 잠재력을 갖춤
• 대형 양자 컴퓨터는 새로운 물질의 설계나 분자 시뮬레이션 등, 기존 슈퍼컴퓨터가 해결하기 어려운 문제를 풀 수 있을 것으로 기대됨
• DARPA와의 협업을 통해 Microsoft는 실용적 양자 컴퓨팅을 앞당길 것이며, 앞으로의 진전 사항을 계속 공유할 계획임