중성원자 기반 양자컴퓨터, 오류 정정의 벽을 넘다

이경희 기자
입력 2026.07.18 09:13
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▲ a . 우리는 내결함성 처리의 핵심 구성 요소를 연구합니다. 광학 집게에 포획된 재구성 가능한 원자 배열을 기반으로 하는 아키텍처를 사용하며, 이 아키텍처에서 논리 프로세서는 저장, 얽힘, 판독 및 저장소 영역으로 분할됩니다. 기본 물리적 메커니즘을 식별하고 특성화합니다. b . 비파괴적이고 손실이 해결된 큐비트 판독을 위한 스핀-위치 변환은 원자 스핀 상태를 위치로 변환하는 상태 선택적 1차원 격자를 사용하여 수행됩니다. 그림은 측정된 라비 진동을 보여줍니다. 이 비파괴 판독은 0.46(4)%의 비트 플립 오류와 0.24(2)%의 손실을 나타냅니다( 방법 ). c , d . d =5 표면 코드 에 대한 안정화 측정은 데이터 큐비트에 주입된 전역 코히런트 오류와 함께 수행됩니다. 각 CZ 레이어는 하나의 시간 단계에 해당합니다( 방법 ). 반복적인 안정제 측정은 제노 효과와 라운드 간 오류 추적을 통해 오류 누적을 줄입니다(오른쪽 그래프는 θ /2π = 0.016으로 고정됨). 시각적 명확성을 위해 이 그래프에서는 50%의 허용률을 사용했습니다( 방법 ). [출처: 범용 양자 컴퓨팅을 위한 내결함성 중성 원자 아키텍처]

양자컴퓨터는 인공지능(AI) 이후 인류의 산업과 과학기술을 근본적으로 바꿀 차세대 기술로 주목받고 있다. 그러나 지금까지 양자컴퓨터의 상용화를 가로막아 온 가장 큰 장애물은 '오류(Error)'였다. 양자정보를 저장하는 큐비트(Qubit)는 외부 환경의 작은 변화에도 매우 민감하게 반응하기 때문에 계산 과정에서 오류가 쉽게 발생한다. 이러한 오류가 누적되면 계산 결과의 신뢰성이 크게 떨어지므로, 오류를 스스로 탐지하고 수정하는 '양자 오류 정정(Quantum Error Correction, QEC)' 기술은 실용적인 양자컴퓨터 구현을 위한 필수 조건으로 여겨져 왔다.

세계적인 학술지 《Nature》에 발표된 중성원자(Neutral Atom) 기반 양자컴퓨팅 연구는 이러한 난제를 해결할 새로운 가능성을 제시했다. 연구진은 레이저 광집게(Optical Tweezer)로 개별 원자를 정밀하게 제어하는 중성원자 플랫폼을 활용해, 규모를 지속적으로 확대하면서도 안정적인 양자 오류 정정을 수행할 수 있는 새로운 아키텍처를 제안했다. 이번 연구는 단순히 큐비트의 수를 늘리는 데 그치지 않고, 실제 계산 과정에서 발생하는 오류를 효율적으로 관리하면서 시스템을 확장할 수 있는 기반을 마련했다는 점에서 큰 의미를 가진다.

양자컴퓨터는 일반 컴퓨터와 달리 0과 1의 상태를 동시에 표현할 수 있는 양자 중첩(superposition)과 얽힘(entanglement) 현상을 이용해 계산을 수행한다. 이론적으로는 현재의 슈퍼컴퓨터가 수천 년이 걸리는 계산도 짧은 시간 안에 해결할 수 있는 잠재력을 지니고 있다. 하지만 큐비트는 외부의 미세한 온도 변화나 전자기파, 진동 등에 의해 양자 상태가 쉽게 붕괴되는 '디코히런스(decoherence)' 현상이 발생하며, 이로 인해 계산 정확도가 급격히 떨어진다. 따라서 실용적인 양자컴퓨터를 구현하기 위해서는 오류를 실시간으로 탐지하고 자동으로 수정하는 기술이 반드시 필요하다.

기존의 양자 오류 정정 기술은 하나의 논리 큐비트를 여러 개의 물리 큐비트로 구성해 오류를 보정하는 방식이지만, 구현을 위해서는 방대한 수의 큐비트와 매우 복잡한 제어 시스템이 요구됐다. 이러한 이유로 오류 정정은 양자컴퓨터 상용화의 가장 어려운 과제로 꼽혀 왔다.

이번 연구에서 주목받은 중성원자 플랫폼은 이러한 한계를 극복할 수 있는 차세대 기술로 평가된다. 중성원자 방식은 레이저를 이용해 수백에서 수천 개의 원자를 정밀하게 배열하고, 필요에 따라 원자의 위치와 연결 구조를 자유롭게 변경할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 연구진은 이러한 특성을 활용해 오류를 효과적으로 관리하면서도 시스템을 지속적으로 확장할 수 있는 구조를 구현했다. 이는 앞으로 수백 개에서 수천 개 이상의 논리 큐비트를 안정적으로 운용할 수 있는 가능성을 제시한 것으로 평가된다.

이번 연구의 핵심 성과는 단순히 오류 정정 실험에 성공했다는 데 있지 않다. 연구진은 논리 큐비트를 안정적으로 유지하면서 양자 연산을 수행하고, 시스템 규모를 계속 확대할 수 있는 확장 가능한 구조를 제시했다. 이는 지금까지 실험실 수준에 머물렀던 양자 오류 정정을 실제 범용 양자컴퓨터로 연결할 수 있는 중요한 전환점으로 받아들여지고 있다.

현재 세계 양자컴퓨터 기술 경쟁은 크게 초전도 큐비트와 이온트랩, 그리고 중성원자 방식으로 나뉜다. IBM과 구글은 초전도 큐비트 기술을 중심으로 연구를 진행하고 있으며, IonQ는 이온트랩 방식을 개발하고 있다. 반면 하버드대학교와 QuEra 등은 중성원자 플랫폼을 기반으로 연구를 이어가고 있다. 특히 중성원자 방식은 뛰어난 확장성과 병렬 제어 능력을 바탕으로 차세대 양자컴퓨팅 기술의 유력한 후보로 빠르게 부상하고 있다.

산업계에서는 이번 연구가 양자컴퓨터의 상용화를 앞당기는 중요한 계기가 될 것으로 평가한다. 오류 정정 기술이 안정적으로 구현될 경우 신약 개발과 신소재 탐색, 금융 리스크 분석, 물류 최적화, 기후 예측, 인공지능 학습 등 기존 슈퍼컴퓨터로도 해결하기 어려운 초대형 계산 문제를 실질적으로 해결할 수 있는 길이 열릴 것으로 기대된다.

결국 양자컴퓨터의 미래는 단순히 더 많은 큐비트를 확보하는 것이 아니라, 오류를 스스로 수정하면서 안정적으로 계산을 수행할 수 있는 시스템을 구축하는 데 달려 있다. 이번 연구는 이러한 목표에 한 걸음 더 다가선 성과로 평가되며, 중성원자 기반 양자컴퓨터가 차세대 범용 양자컴퓨팅 플랫폼으로 자리 잡을 가능성을 한층 높였다. 전문가들은 이번 성과를 양자 우위(Quantum Advantage)를 넘어 실용 양자컴퓨팅(Practical Quantum Computing) 시대를 여는 중요한 이정표로 평가하고 있으며, 향후 양자산업 전반의 기술 경쟁에도 적지 않은 영향을 미칠 것으로 전망하고 있다.