양자컴퓨터는 무엇으로 만들까? 초전도·이온·중성원자·광자 방식의 차이

양자컴퓨터 사진을 찾아보면 장비의 모습이 꽤 다릅니다.

어떤 장비는 커다란 냉각장치가 중심에 있고, 어떤 장비에는 여러 개의 레이저와 광학장치가 설치되어 있습니다. 빛을 전달하는 광학 칩을 중심으로 만드는 양자컴퓨터도 있습니다.

같은 양자컴퓨터인데 왜 이렇게 모습이 다를까요?

이를 이해하려면 먼저 일반 컴퓨터가 정보를 어떻게 다루는지부터 살펴볼 필요가 있습니다.

일반 컴퓨터는 비트, 양자컴퓨터는 큐비트를 사용한다

일반 컴퓨터는 반도체 칩에서 전기 신호를 이용해 정보를 처리합니다.

이때 정보를 다루는 기본 단위가 비트(Bit)입니다. 비트는 0과 1을 이용해 정보를 표현합니다.

우리가 사용하는 PC와 스마트폰, 기업의 서버와 데이터센터도 이 구조를 기반으로 작동합니다.

AI도 같은 컴퓨팅 구조를 사용합니다.

AI 학습과 추론에는 GPU나 AI 가속기처럼 많은 계산을 빠르게 처리하는 장치가 사용됩니다. 이 장치들도 반도체 칩에서 전기 신호를 이용하며, 정보의 기본 단위는 비트입니다.

양자컴퓨터에서는 큐비트(Qubit)라는 단위를 사용합니다.

처음에는 두 단위의 역할만 구분하면 충분합니다.

• 비트(Bit): 일반 컴퓨터가 정보를 다루는 기본 단위
• 큐비트(Qubit): 양자컴퓨터가 양자정보를 다루는 기본 단위

큐비트가 정보를 처리하는 자세한 원리는 중첩과 얽힘 같은 양자 개념과 연결됩니다. 이 부분은 다음 단계에서 별도로 살펴볼 수 있습니다.

이번 글에서는 큐비트를 실제 장비에서 어떻게 만드는지에 집중합니다.

양자 계산 장치는 일반 컴퓨터와 함께 작동한다

현재의 양자컴퓨팅 시스템은 일반 컴퓨터와 양자 계산 장치를 함께 사용합니다.

일반 컴퓨터가 프로그램을 실행하고 필요한 명령을 전달하면 양자 계산 장치가 계산을 수행합니다. 계산 결과를 측정한 뒤에는 일반 컴퓨터가 다시 결과를 받아 처리합니다.

구조를 간단하게 표현하면 다음과 같습니다.

일반 컴퓨터 → 양자 계산 장치 → 일반 컴퓨터

따라서 실제 양자컴퓨터를 보면 양자 계산 장치 주변에 일반 서버, 제어장치와 여러 주변 장비가 함께 연결되어 있습니다.

그리고 양자 계산 장치에 들어가는 큐비트를 어떤 물리적인 대상으로 구현하느냐에 따라 장비의 구조가 달라집니다.

현재 대표적인 방식이 초전도, 이온, 중성원자, 광자입니다.

1. 초전도 방식 — 아주 차갑게 만든 회로를 사용한다

초전도(Superconducting) 방식은 특별한 전기회로를 이용해 큐비트를 만듭니다.

초전도 물질은 온도를 아주 낮게 내리면 특별한 전기적 성질을 보입니다. 양자컴퓨터는 이런 환경에서 회로의 상태를 정밀하게 제어해 계산에 사용합니다.

그래서 초전도 양자컴퓨터에는 강력한 냉각장치가 함께 설치됩니다.

IBM의 초전도 양자 칩 테스트 환경은 약 15밀리켈빈(mK)까지 온도를 낮춥니다. 섭씨로 환산하면 약 영하 273.14°C입니다. 절대영도인 영하 273.15°C에 매우 가까운 온도입니다.

사진에서 보이는 커다란 금속 구조물은 이런 초저온 환경을 만드는 냉각장치입니다. 실제 계산을 담당하는 양자 칩은 그 안쪽에 자리합니다.

IBM과 Google 등이 초전도 방식의 양자컴퓨터를 개발하고 있습니다.

쉽게 기억하면 다음과 같습니다.

초전도 방식 = 영하 273°C에 가까운 환경에서 회로를 이용하는 방식

2. 이온 방식 — 전기를 띤 원자를 사용한다

이온(Ion) 방식에서는 원자를 이용합니다.

원자에는 전자가 있습니다. 전자가 빠지거나 추가되면서 원자 전체가 전기적인 성질을 가지면 이를 이온이라고 합니다.

이온 방식의 양자컴퓨터는 이온을 특정한 공간에 붙잡아 두고 그 상태를 큐비트로 이용합니다.

전기를 띤 이온은 전기장을 이용해 위치를 잡을 수 있습니다. 이후 레이저나 마이크로파 등을 이용해 이온의 상태를 정밀하게 조절합니다.

그래서 이온 방식의 장비에는 진공장치, 이온을 붙잡는 장치, 레이저와 제어장치가 함께 사용됩니다.

원자는 같은 종류라면 기본적인 물리적 특성이 매우 일정합니다. 이온 방식은 이런 원자의 특성을 활용해 양자정보를 오랫동안 유지하고 높은 정확도로 제어하는 방향으로 발전하고 있습니다.

NIST는 포획 이온을 이용한 양자컴퓨팅에서 긴 양자 상태 유지 시간과 높은 정확도의 제어를 주요 특성으로 연구하고 있습니다.

IonQ와 Quantinuum 등이 이온 방식의 양자컴퓨터를 개발하고 있습니다.

쉽게 기억하면 다음과 같습니다.

이온 방식 = 전기를 띤 원자를 붙잡아 사용하는 방식

3. 중성원자 방식 — 레이저로 원자를 잡아 배열한다

중성원자(Neutral Atom) 방식도 원자를 이용합니다.

중성원자는 전체적으로 전기적 균형을 이루는 원자입니다.

중성원자 방식에서는 아주 정밀하게 집중시킨 레이저로 원자를 하나씩 잡습니다.

이 기술을 광학 핀셋(Optical Tweezers)이라고 합니다.

작은 물체를 핀셋으로 집어 원하는 자리에 놓듯이, 빛을 이용해 원자를 잡고 원하는 형태로 배열한다고 생각하면 이해하기 쉽습니다.

양자컴퓨터는 이렇게 배열한 원자의 상태를 큐비트로 이용합니다.

QuEra는 광학 핀셋으로 개별 원자를 잡고 배열하는 방식의 중성원자 양자컴퓨터를 개발하고 있습니다. Pasqal 역시 레이저를 이용해 루비듐 원자를 잡고 제어하는 방식을 사용합니다.

그래서 중성원자 방식의 장비에서는 원자를 보관하는 진공장치와 여러 레이저, 광학장치가 중요한 역할을 합니다.

쉽게 기억하면 다음과 같습니다.

중성원자 방식 = 레이저로 원자를 잡아 배열하는 방식

4. 광자 방식 — 빛을 사용한다

광자(Photon) 방식에서는 빛을 이용합니다.

빛을 구성하는 입자를 광자라고 합니다.

광자 방식의 양자컴퓨터는 광자의 상태에 양자정보를 담고, 빛을 이동시키고 제어하면서 계산합니다.

그래서 장비의 구성도 빛을 중심으로 만들어집니다.

광자를 만들어 내는 장치, 빛이 이동하는 통로, 빛의 방향을 제어하는 장치, 마지막 상태를 확인하는 검출기 등이 사용됩니다.

PsiQuantum은 단일 광자를 사용하고, 통신과 데이터센터 분야에서 발전한 실리콘 포토닉스(Silicon Photonics) 기술을 이용해 광자를 칩 안에서 제어하는 방식을 개발하고 있습니다.

광자는 광섬유를 통해 다른 위치로 전달하기에도 적합합니다. 이 특성은 여러 양자 칩이나 장치를 연결하는 구조와도 이어집니다.

광자 방식에서도 구현 방법에 따라 광자 검출기와 같은 일부 장비에 냉각 기술을 함께 사용할 수 있습니다.

쉽게 기억하면 다음과 같습니다.

광자 방식 = 빛을 만들고 이동시키며 제어하는 방식

네 가지 방식은 이렇게 구분하면 쉽다

네 방식 모두 큐비트를 이용해 양자정보를 처리합니다.

실제 큐비트를 구현하는 물리적인 대상이 달라지면서 필요한 장비와 시스템 구조도 함께 달라집니다.

그래서 초전도 양자컴퓨터 사진에서는 냉각장치가 크게 보이고, 이온과 중성원자 방식에서는 레이저와 진공장치가 많이 등장합니다. 광자 방식에서는 광학 칩과 빛을 전달하는 장비가 중요한 위치를 차지합니다.

네 가지 방식의 장단점은 무엇일까?

각 방식은 서로 다른 물리적 특성을 이용합니다.

이 차이는 양자컴퓨터를 크게 만들고 정확하게 제어하는 방법에도 영향을 줍니다.

초전도 방식

장점

초전도 방식은 작은 칩 위에 회로 형태로 큐비트를 만들 수 있습니다. 전자회로를 설계하고 제조해 온 기존 산업의 기술과 연결하기 좋고, 계산에 필요한 동작도 빠른 편입니다.

기술적 과제

영하 273°C에 가까운 초저온 환경을 계속 유지해야 합니다.

큐비트가 많아지면 냉각장치 안으로 연결되는 배선과 제어장치도 함께 늘어납니다. 따라서 더 많은 큐비트를 하나의 시스템에서 안정적으로 제어할 수 있는 냉각·배선 구조가 중요합니다.

이온 방식

장점

같은 종류의 원자는 기본적인 물리적 특성이 매우 일정합니다.

이온은 양자정보를 오래 유지할 수 있고, 개별 이온의 상태를 높은 정확도로 제어하기 좋은 특성을 가지고 있습니다.

기술적 과제

이온 하나하나를 정밀하게 붙잡고 제어하는 장치가 필요합니다.

시스템 규모가 커질수록 많은 이온을 원하는 위치로 이동시키고 여러 제어 장치를 함께 운영하는 기술의 중요성이 커집니다.

중성원자 방식

장점

광학 핀셋을 이용하면 많은 원자를 일정한 형태로 배열할 수 있습니다.

필요한 위치로 원자를 이동하고 배열을 구성할 수 있다는 점도 중성원자 방식의 특징입니다. 많은 큐비트를 배열하는 방향에서 활용할 수 있는 구조입니다.

기술적 과제

많은 원자를 원하는 위치에 안정적으로 잡고, 각각의 상태를 정확하게 제어해야 합니다.

레이저와 광학장치의 정밀도, 계산 과정에서의 원자 제어 정확도와 반복 실행 성능이 시스템 전체 성능에 영향을 줍니다.

광자 방식

장점

광자는 광섬유를 통해 이동할 수 있습니다.

통신 산업에서 이미 널리 사용되는 광학 기술과 실리콘 포토닉스 기술을 활용할 수 있으며, 여러 칩이나 양자 시스템을 연결하는 구조와도 잘 맞습니다.

기술적 과제

광자가 이동하는 동안 손실이 발생할 수 있습니다.

필요한 광자를 정확하게 만들고, 원하는 경로로 전달하고, 마지막에 정확하게 검출하는 기술이 중요합니다. PsiQuantum도 대규모 광자 양자컴퓨터를 구현하는 과정에서 광자 손실을 줄이는 광결합과 광스위칭 기술을 핵심적으로 개발하고 있습니다.

왜 양자컴퓨터를 개발할까?

컴퓨터의 발전은 더 많은 정보를 더 빠르게 계산하는 방향으로 이어져 왔습니다.

기업은 새로운 소재를 찾고, 금융시장을 분석하고, 물류 경로를 계산하고, 복잡한 시스템을 예측하기 위해 많은 계산을 수행합니다. 계산에 필요한 데이터와 조건이 늘어날수록 기존 컴퓨터가 처리해야 하는 경우의 수도 빠르게 증가합니다.

양자컴퓨터는 특정한 종류의 문제에서 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 계산할 가능성을 가지고 있습니다. 대표적으로 양자 시스템의 시뮬레이션, 일부 최적화 문제, 암호와 관련된 계산 등이 연구되고 있습니다. NIST는 양자컴퓨터가 이러한 전문적인 문제에서 기존 컴퓨터보다 훨씬 효율적으로 계산할 가능성이 있다고 설명합니다.

기업과 국가의 관점에서는 계산 속도가 곧 결과를 얻는 시간과 연결될 수 있습니다.

같은 데이터를 가지고 있어도 복잡한 계산을 더 빨리 끝낼 수 있다면 신약과 신소재 후보를 더 빠르게 탐색하거나, 여러 선택지 가운데 효율적인 경로를 더 빠르게 찾거나, 기존에는 계산하기 어려웠던 문제를 다룰 수 있습니다.

정보를 많이 확보하고, 그 정보를 빠르게 계산해 의미 있는 결과로 만드는 능력은 기업과 국가의 경쟁력으로 이어질 수 있습니다. 이런 가능성이 Google, IBM을 비롯한 여러 기업과 국가가 양자컴퓨터 개발에 투자하는 이유 가운데 하나입니다.

왜 여러 방식이 동시에 개발되고 있을까?

현재 양자컴퓨터 산업은 여러 물리적 방식을 동시에 발전시키며 어떤 구조가 대규모 양자컴퓨터에 적합한지 검증하는 단계에 있습니다.

초전도 방식은 칩 형태의 회로와 빠른 제어를 활용합니다.

이온 방식은 원자의 일정한 성질과 높은 제어 정확도를 활용합니다.

중성원자 방식은 많은 원자를 배열하고 이동시킬 수 있는 구조를 활용합니다.

광자 방식은 빛의 이동 특성과 광통신·광반도체 기술을 활용합니다.

각 방식이 강점을 가지는 영역이 다르기 때문에 기업들이 선택하는 개발 방향도 달라집니다.

양자컴퓨터의 규모가 커질수록 큐비트 수와 함께 계산 정확도, 제어 방법, 연결 구조, 냉각과 광학장비, 시스템 확장 방법이 함께 중요해집니다.

그래서 양자컴퓨터 관련 뉴스를 볼 때는 큐비트 개수와 함께

“이 회사는 어떤 방식으로 큐비트를 만들고 있는가?”

를 확인하면 기술의 방향을 이해하기 쉽습니다.

IBM과 Google이 초저온 냉각 기술을 함께 개발하고, IonQ와 Quantinuum이 이온 제어 기술을 발전시키며, QuEra와 Pasqal이 원자 배열 기술을 개발하고, PsiQuantum이 광학 칩과 광자 연결 기술에 집중하는 이유도 각각 선택한 방식에서 시작합니다.

DANA NOTES 한 줄 정리

양자컴퓨터는 양자정보의 기본 단위인 큐비트를 초전도 회로·이온·중성원자·광자 등으로 구현하며, 어떤 물리적 방식을 사용하느냐에 따라 필요한 장비와 장점, 시스템을 확장하는 방법이 달라집니다.