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미래 전략기술로 주목받는 양자컴퓨터 상용화의 가장 큰 과제는 양자컴퓨터의 정보처리 단위인 큐비트(qubit)의 불안정성 해결이다. 양자컴퓨터의 한 유형인 '위상(topological) 양자컴퓨터'는 큐비트의 불안정성을 근본적으로 해결하는 이상적인 형태로 꼽힌다. 미국 수학자와 물리학자들이 새로운 수학 이론을 도입해 위상 양자컴퓨터의 주요 한계점으로 제시된 범용성 확보의 돌파구를 제시했다.
아론 라우다 미국 서던캘리포니아대 수학과 및 물리학과중국본토펀드
교수팀은 새로운 준입자 '네글렉톤(neglecton)'을 위상 양자컴퓨팅 시스템 후보로 제안하고 연구결과를 5일 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 공개했다.
양자컴퓨터는 물리적 상태가 하나로 정해지지 않은 양자 중첩상태를 정보처리에 활용해 기존 컴퓨터로는 계산이 불가능한 문제를 해결한다. 신약·신물질 개발이나 기상 예측, 암호 해독화성 주식
, 물류 최적화 등 다양한 분야에서 폭넓게 활용될 것으로 전망된다.
전기회로, 이온이나 원자 등 양자 중첩상태를 구현하고 이를 측정할 수 있다면 무엇이든 큐비트로 활용할 수 있다. 양자컴퓨터가 다양한 플랫폼에서 구현되는 이유다. 큐비트의 양자 상태가 주변 환경에 민감해 정보가 쉽게 손상된다는 점이 양자컴퓨터 상용화를 위한 공통적인 해결 다빈치무료릴게임
과제로 꼽힌다.
일반적으로 자연에 존재하는 입자는 보존(Boson)과 페르미온(Fermion)으로 분류된다. 특수한 재료 내부나 극저온 조건 등에서는 전자들이 개별 입자가 아닌 집단으로 행동한다. 이때 입자가 특징적인 움직임을 보이는 현상을 준입자(quasiparticle)라는 개념으로 설명한다. 보존이나 페르미온에 속하지 않는 준입자는엔터테인먼트주식
실제로 존재하는 입자가 아니라 전자 등이 특정 성질을 가진 입자처럼 행동하는 것을 말한다.
애니온(Anyon)은 2차원 공간에서만 발견되는 준입자의 한 종류다. 2차원에서 특정한 조건을 만족했을 때 나타나는 '아이징(Ising) 애니온'은 안정성이 뛰어나 위상 양자컴퓨팅을 구현할 유망 후보로 주목받았다.
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온의 치명적 단점은 수행할 수 있는 양자 연산이 매우 제한돼 보편적인(universal) 양자컴퓨팅에는 적합하지 않다는 것이다. 라우다 교수는 "키보드의 절반이 없는 상태에서 이메일을 작성하는 것과 비슷하다"고 설명했다.
연구팀은 준입자를 찾는 수학적 도구인 '위상학적 양자장 이론(Topological Quantum Field Theories, TQFT)'을 활용해 새로운 애니온을 모델링했다. 지난 수십년 동안 연구자들은 TQFT의 하위 이론인 '반단순(semisimple) TQFT'에 집중했다. 반단순 TQFT는 모든 준입자가 양자차원이라는 '수학적 무게'를 가지고 있다고 가정하는 이론으로 양자차원이 0인 일부 준입자의 존재가 배제됐다.
2010년 새로운 이론인 '비반단순(non-semisimple) TQFT'가 등장하면서 기존 이론에서 배제됐던 준입자를 포함해 다룰 수 있게 됐다. 라우다 교수팀은 비반단순 TQFT를 기반으로 새로운 유형의 애니온인 '네글렉톤(Neglecton)'을 정의하고 이를 다른 아이징 애니온과 조합한 보편적 양자컴퓨팅 시스템을 제시했다.
연구팀은 그동안 아이징 애니온으로는 불가능하다고 여겨진 보편적 양자컴퓨팅이 가능하다는 사실을 이론적으로 증명했다. 향후 네글렉톤을 구현하는 특정한 재료 플랫폼을 찾고 양자컴퓨팅을 수행하는 프로토콜을 개발할 예정이다.
라우다 교수는 "쓸모없다고 생각된 0차원 입자가 '사라진 퍼즐 조각'이었다는 사실이 드러났다"며 "단순히 수학적 경계를 넓힌 것이 아니라 결함 내성 양자컴퓨팅의 새로운 가능성을 연 것"이라고 밝혔다.

2월 19일(현지시간) 미국 마이크로소프트(MS)가 공개한 8큐비트 규모의 '마요라나 1(Majorana 1)' 양자컴퓨터 칩. 마이크로소프트 제공

양자이론 연구자인 최상준 국립공주대 물리교육과 교수는 "위상 양자컴퓨터는 양자컴퓨터의 노이즈(잡음) 제어에 이상적인 조건을 갖추고 있지만 2가지 단점이 존재한다"며 "범용 양자컴퓨터 구현과 아이징 애니온의 실현이 어렵다는 것"이라고 설명했다.
최 교수는 "특히 범용 양자컴퓨터 구현이 어렵다는 게 정말 아쉬운 부분인데 이를 해결하는 돌파구를 제시한 것"이라며 "굉장히 흥미로운 연구결과"라고 말했다.
라우다 교수는 "위상 양자컴퓨터는 적절한 유형의 애니온을 실현하고 이를 제어해 안정적으로 연산을 수행하는 것이 핵심"이라며 "최근 공학적 돌파구가 이론적 모델을 현실화하고 있다"고 밝혔다. 이어 "지속적인 혁신을 통해 위상 양자컴퓨팅이 '우아한 수학'에서 '현실적인 기술'로 전환될 가능성이 커지고 있다"고 말했다.
위상 양자컴퓨터를 구현하려는 시도가 꾸준히 이어지고 있지만 아직 넘어야 할 산이 많다. 러시아 물리학자 알렉세이 키타예프는 2001년에 다른 준입자 '마요라나 입자'를 양자컴퓨팅에 활용할 수 있다는 연구를 처음 제시했지만 아직까지 구체화된 사례는 없다.
올해 2월 미국 마이크로소프트(MS)는 마요라나 입자를 활용한 세계 최초의 위상 양자컴퓨터 '마요라나 1'을 개발했다고 발표했지만 이후 관련 연구논문의 핵심 데이터 조작 의혹이 제기되는 등 논란에 휩싸이기도 했다.
최 교수는 "아이징 애니온과 위상 양자컴퓨터는 너무나 이상적인 성질을 가졌다"며 "과학자들이 좋은 이론을 제안하고 실험적 난관을 극복하기 위해 노력 중"이라고 말했다.
<참고 자료> - doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8?
[이병구 기자 2bottle9@donga.com]