[테크수다 기자 도안구 eyeball@techsuda.com] 마이크로소프트가 양자 컴퓨팅 영역에서 새로운 길을 개척하는 '마요라나(Majorana) 1칩을 개발했다고 밝혔다.

관련 글이 마이크로소프트 뉴스룸에 올라와 있어 ChatGPT를 통해 번역해 소개한다. 오역이 있을 수 있으니 꼭 원문을 참고해주시기 바란다.

Microsoft’s Majorana 1 chip carves new path for quantum computing - Source

Majorana 1, the first quantum chip powered by a new Topological Core architecture

SourceCatherine Bolgar

오늘, 새로운 위상적 코어(Topological Core) 아키텍처를 기반으로 한 세계 최초의 양자 칩 Majorana 1을 공개했다. 이 칩은 수십 년이 아닌 몇 년 안에 의미 있는 산업 규모의 문제를 해결할 수 있는 양자 컴퓨터의 실현을 목표로 한다.

이 기술은 **세계 최초의 위상 전도체(topoconductor)**를 활용한 혁신적인 재료를 통해 마요라나(Majorana) 입자를 관찰하고 제어할 수 있다. 이를 통해 양자 컴퓨터의 기본 단위인 **큐비트(qubit)**를 보다 안정적이고 확장 가능하게 만들 수 있다.

마이크로소프트는 반도체가 스마트폰, 컴퓨터, 전자기기의 발전을 가능하게 했듯이, 위상 전도체와 이를 활용한 새로운 칩이 100만 개의 큐비트를 수용할 수 있는 양자 시스템을 개발할 수 있는 길을 열 것이라고 설명했다. 이 시스템은 산업과 사회의 가장 복잡한 문제를 해결할 수 있는 능력을 갖출 것이다.

“우리는 처음부터 다시 생각했습니다. ‘양자 시대를 위한 트랜지스터를 발명하려면 어떤 특성이 필요할까?’ 그리고 그 질문이 바로 우리가 여기까지 오게 된 이유입니다.”
— 체탄 나야크(Chetan Nayak), 마이크로소프트 기술 펠로우

한 손에 들어오는 양자 칩, 100만 개의 큐비트 실현 가능

마이크로소프트에 따르면, Majorana 1 프로세서의 새로운 아키텍처는 단일 칩에 100만 개의 큐비트를 배치할 수 있는 명확한 길을 제시한다. 이러한 발전이 있어야 양자 컴퓨터가 실제로 산업과 사회에 변혁적인 솔루션을 제공할 수 있다.

예를 들어, 양자 컴퓨터는 다음과 같은 문제 해결이 가능해질 것이다.

• 미세 플라스틱을 무해한 부산물로 분해
• 건설, 제조, 의료 산업에서 자체 치유(self-healing) 소재 개발

현재 세계에 존재하는 모든 컴퓨터를 합쳐도 100만 큐비트의 양자 컴퓨터가 할 수 있는 계산을 수행하지 못한다.

“양자 컴퓨팅에서 중요한 것은 100만 개의 큐비트로 확장할 수 있는 경로를 가지고 있느냐입니다. 그렇지 않다면, 중요한 문제를 해결할 수 있는 규모에 도달하기도 전에 한계에 부딪히게 될 것입니다.”
— 체탄 나야크

위상 전도체: 새로운 물질 상태를 활용한 혁신

위상 전도체(topoconductor) 또는 **위상 초전도체(topological superconductor)**는 기존의 고체, 액체, 기체가 아닌 새로운 위상적 상태의 물질을 형성할 수 있는 특별한 범주의 재료다.

이 기술을 통해 보다 안정적인 큐비트를 생산할 수 있으며,

• 빠르고 작고 디지털 방식으로 제어할 수 있음
• 현재의 양자 기술이 요구하는 타협점을 줄일 수 있음

마이크로소프트 연구진은 이론적으로만 존재하던 "위상적 큐비트(topological qubit)"의 특성을 실험적으로 증명하고, 이를 정확하게 측정할 수 있다는 내용을 담은 연구 논문을 네이처(Nature) 저널에 발표했다.

새로운 재료 스택(Materials Stack) 개발

이 획기적인 성과를 이루기 위해, 마이크로소프트는 인듐 비소(Indium Arsenide)와 알루미늄(Aluminum)으로 구성된 새로운 재료 스택을 개발했다. 연구진은 이를 원자 단위로 설계 및 제작했으며, 목표는 마요라나 입자를 형성하고 이를 활용하는 것이었다.

“우리는 새로운 상태의 물질을 발견하는 것뿐만 아니라, 이를 활용해 확장 가능한 양자 컴퓨팅을 다시 생각하는 단계까지 왔습니다.”
— 체탄 나야크

Majorana 1의 위상적 코어는 하드웨어 수준에서 오류 저항성을 갖추고 있어 더욱 안정적이다.

디지털 방식으로 제어되는 큐비트

기존 방식의 큐비트는 각 큐비트를 미세하게 조정해야 하며, 수백만 개의 큐비트를 제어하려면 현실적으로 불가능한 수준의 제어가 필요하다.

마이크로소프트 팀은 큐비트를 디지털 방식으로 제어하는 새로운 측정 방식을 개발하여 양자 컴퓨팅을 보다 간단하게 만들었다. 이를 통해 수 조 개의 연산을 수행할 수 있는 실용적인 양자 컴퓨터 구축이 가능해졌다.

DARPA가 인정한 기술력

미국 국방부 산하 **방위고등연구계획국(DARPA)**는 국가 안보에 중요한 혁신 기술을 평가하는 프로그램을 운영 중이다. 마이크로소프트는 이 기관의 "미개척 유틸리티 스케일 양자 컴퓨팅(US2QC)" 프로그램의 마지막 단계에 선정된 단 두 개의 기업 중 하나다.

이 프로그램의 목표는 산업적으로 활용 가능한 수준의 오류 허용(fault-tolerant) 양자 컴퓨터를 구축하는 것이다.

양자 컴퓨터가 바꿀 미래

양자 컴퓨터는 자연의 법칙을 수학적으로 정밀하게 모델링할 수 있는 능력을 갖고 있다.

예를 들어:
✅ 부식과 균열의 원인을 파악하여 자체 치유 소재 개발 → 다리, 비행기 부품, 스마트폰 화면 등
✅ 미세 플라스틱과 탄소 오염을 분해할 수 있는 촉매 물질 개발
✅ 효소의 동작을 정밀하게 계산하여 농업과 의료 기술 혁신

“어떤 기업이든, 단 한 번의 설계로 완벽한 제품을 만들 수 있습니다. 양자 컴퓨터가 AI에게 자연의 언어를 가르쳐, 우리가 원하는 물질이나 분자를 바로 설계할 수 있도록 해줍니다.”
— 마티아스 트로이어(Matthias Troyer), 마이크로소프트 기술 펠로우

스케일업을 위한 새로운 접근법

큐비트는 주변 환경의 작은 변화에도 영향을 받아 오류가 발생할 가능성이 크다. 이에 따라 더 안정적이고 확장 가능한 큐비트 설계가 필요했다.

마이크로소프트는 20년 전부터 위상적 큐비트를 연구해 왔으며, 마요라나 입자를 활용한 방식이 가장 강력한 해결책이 될 것이라고 판단했다.

그러나 마요라나 입자는 자연에서 존재하지 않으며,
➡ 강한 자기장과 초전도체가 있어야만 생성할 수 있다.
➡ 이 물질을 만들기 위한 재료 개발이 가장 큰 난관이었다.

원자 단위로 양자 재료 설계하기

마이크로소프트의 위상적 큐비트(topological qubit) 아키텍처는 알루미늄 나노와이어(nanowire)를 결합해 H 형태를 만들었다.
각 H 구조는 제어 가능한 마요라나(Majorana) 입자 4개를 포함하며, 하나의 큐비트를 구성한다.
이러한 H 구조들은 칩 위에서 타일처럼 배열할 수 있도록 설계되었다.

“새로운 물질 상태(state of matter)를 입증해야 했기 때문에 복잡한 과정이었지만, 그 이후에는 상당히 단순해졌습니다.
이제 우리는 칩을 타일처럼 확장할 수 있는 훨씬 더 간단한 아키텍처를 갖게 되었고,
이 방식은 양자 컴퓨터를 훨씬 더 빠르게 확장하는 길을 열어줍니다.”
— 크리스타 스보어(Krysta Svore), 마이크로소프트 기술 펠로우

양자 칩, 단독으로 작동하지 않는다

양자 칩(Quantum Chip)은 독립적으로 작동하는 것이 아니라, 여러 요소가 함께 작동하는 생태계의 일부이다.

✔ 제어 로직(Control Logic) → 칩 내부에서 큐비트를 관리
✔ 초저온 냉장 시스템(Dilution Refrigerator) → 큐비트를 우주보다 낮은 극저온 상태에서 유지
✔ AI 및 기존 컴퓨터와 통합할 수 있는 소프트웨어 스택

이 모든 요소는 마이크로소프트가 직접 개발 또는 수정하여 만든 것이라고 스보어는 설명했다.

완벽한 재료 스택(Materials Stack) 개발의 어려움

양자 컴퓨터에 필요한 위상적 물질 상태(topological state of matter)를 생성할 수 있는 적절한 재료 스택을 만드는 것이 가장 어려운 부분 중 하나였다.

기존 컴퓨터 칩에 사용되는 실리콘(silicon) 대신,
마이크로소프트의 위상 전도체(topoconductor)는 **인듐 비소(Indium Arsenide)**로 만들어졌다.
👉 이 물질은 적외선 감지기(Infrared Detectors) 같은 응용 분야에서 사용되며, 특수한 성질을 가지고 있다.

또한, 이 반도체(semiconductor)를 극저온 환경에서 초전도(superconductivity)와 결합하여 하이브리드 상태로 만든 것이 핵심이다.

“우리는 말 그대로 원자를 하나씩 쌓아 올리듯이(Atom by Atom) 재료를 제작합니다.
이 물질들이 완벽하게 정렬되어야 합니다.
만약 재료 스택에 결함(defect)이 너무 많으면 큐비트가 완전히 작동하지 않게 됩니다.”
— 크리스타 스보어

양자 컴퓨터가 필요한 이유

"아이러니하게도, 우리가 양자 컴퓨터를 필요로 하는 이유도 바로 이 때문입니다."

양자 재료를 이해하는 것은 매우 어렵고 복잡한 문제다.
그러나 양자 컴퓨터가 충분한 규모로 확장되면, 미래의 양자 컴퓨터를 위한 최적의 재료를 예측할 수도 있을 것이다.

“충분히 확장된 양자 컴퓨터를 활용하면,
다음 세대 양자 컴퓨터를 위한 더 뛰어난 재료를 설계하는 것도 가능해질 것입니다.”
— 크리스타 스보어

✅ 요약

1. 마이크로소프트는 알루미늄 나노와이어를 H 형태로 연결해 새로운 큐비트 구조를 설계했다.
2. H 구조는 타일처럼 확장 가능하여 큐비트를 대량으로 배치할 수 있다.
3. 양자 칩은 제어 로직, 초저온 냉각 시스템, AI 및 소프트웨어 스택과 함께 작동하는 생태계의 일부다.
4. 위상적 물질 상태를 생성하는 적절한 재료 개발이 가장 큰 도전 과제였다.
5. 기존 실리콘 대신 **인듐 비소(Indium Arsenide)**를 사용해 반도체와 초전도성을 결합한 하이브리드 재료를 개발했다.
6. 양자 컴퓨터가 더 발전하면, 새로운 재료를 예측하는 데도 활용될 수 있다.

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