미국 매사추세츠공과대학(MIT)이 양자컴퓨터의 계산 속도를 수십 배 향상시킬 수 있을 것으로 기대되는 계산 결과를 확인했다.

MIT 전자공학부 연구팀은 3일 국제학술지 네이처 커뮤니케이션에 '초전도 회로에서의 준-초강한 비선형 빛-물질 결합'이라는 논문을 발표했다.

해당 논문은 계산과 저장을 담당하는 양자(큐비트)와 정보 전달과 측정을 담당하는 빛(광자) 등 양자컴퓨터 핵심 요소의 상호작용과 강도를 향상시켰다는 것이 핵심이다. 

연구진은 쿼톤 커플러를 이용해 큐비트와 광자의 결합 강도를 10배 이상 높이고 서로 상호작용하는 시간은 최단시간으로 단축하는 연구를 시도했다.

시도 결과 결합 강도는 기존 대비 약 7~10배 이상 향상됐다. 상호작용 시간은 0.86 나노초(ns)로 10~40ns 수준이던 기존대비 최소 10배 이상 개선됐다. 

양자컴퓨터는 수많은 큐비트가 서로 얽히고 통신하면서 복잡한 연산을 수행하는 방식이다. 큐비트는 스스로 정보를 저장하지만 서로 직접 데이터를 주고받지는 못한다. 이때 '중간 통역사 역할을 광자가 담당한다. 큐비트가 가진 정보를 다른 큐비트로 옮기거나, 외부에서 읽어 들이는 데 광자가 사용된다.

결국 빛과 물질이 얼마나 빨리, 정확하게 상호작용하느냐가 양자컴퓨터의 성능을 결정한다. 기존 양자컴퓨터는 이 속도가 제한돼 있었고, 이로 인해 전체 연산 시간도 길어지고 오류도 많았다.

MIT 연구팀은 상호작용 속도를 역대 최고 수준으로 끌어올리는 데 성공했다며 이를 기반으로 양자컴퓨터의 계산을 지금보다 몇 배 이상 빠르게 만들 수 있는 기술 기반이 될 것으로 예상하고 있다.

이번 연구에서 핵심은 쿼톤 커플러라는 새로운 회로 설계에 있다. 쉽게 말하면, 큐비트 두 개를 특별한 연결 장치를 통해 묶어 서로 강하게 반응하게 만든 것이다.

MIT 연구진은 두 개의 초전도 트랜스몬 큐비트를 활용했다. 하나는 '빛처럼' 반응하도록 거의 선형 회로로 만들고, 다른 하나는 '물질'처럼 비선형 상태로 유지했다. 이 두 요소를 쿼톤 커플러로 연결하자, 빛이 지나갈 때 물질이 즉시 반응하는 구조가 만들어졌다. 이를 통해 빛과 물질 간 반응 속도, 그리고 두 큐비트 간 정보 교환 속도를 극대화했다.

결합의 세기를 나타내는 지표(χ/2π)는 580.3 메가헤르츠(MHz)로 측정됐다. 이는 기존 일반적인 양자컴퓨터에서 보였던 약 80MHz 수준보다 7배 이상 강한 수치다. 게다가 MIT는 이 결합 강도를 이용해 불과 0.86나노초(ns) 만에 큐비트 연산을 수행할 수 있다고 설명했다. 이는 현재의 양자 시스템보다 수 배 이상 빠른 속도다.

특히 이번 연구의 또 다른 의미 있는 성과는 MIT가 하나의 시스템에서 빛과 물질, 물질과 물질, 그리고 빛과 빛 간 상호작용을 모두 구현했다는 점이다.

기존 연구에서는 보통 이 중 하나만을 구현하거나, 극히 약한 반응만을 관측하는 데 그쳤다. 하지만 MIT는 큐비트를 선형화하거나 비선형으로 유지하는 구조를 전략적으로 구성함으로써, 세 가지 방식의 결합을 자유롭게 구성할 수 있는 회로 구조를 완성했다. 이는 향후 광자 기반의 양자 시스템 연구와, 더 정교한 양자 게이트 개발에도 큰 영향을 줄 전망이다.

다만 이번 실험에서 사용된 큐비트의 ‘코히런스 시간(정보를 잃지 않고 유지할 수 있는 시간)’은 약 10마이크로초(μs)로 상용 양자컴퓨터에 사용되는 큐비트보다 다소 짧다. 그러나 MIT 연구진은 이번 연구가 "초고속 연산과 측정"을 목표로 설계된 만큼, 코히런스 시간은 큰 문제가 되지 않는다고 설명했다.

연구팀은 이 기술을 바탕으로 훨씬 더 강력한 결합 단계인 초강결합(ultrastrong coupling)과 초심강 결합(deep-strong coupling) 영역까지 연구를 확장할 계획이다. 동시에 이번 회로를 더 많은 큐비트를 연결하는 구조로 발전시켜 대규모 양자컴퓨터 설계의 기반 기술로 발전시키는 것이 목표다.

관련 업계에선 MIT의 이번 연구에 대해 단순한 실험적 성공을 넘어, 양자컴퓨터의 계산 속도·정확도·확장성이라는 세 가지 난제를 동시에 해결할 수 있는 실마리를 보여줬다는 점에서 높게 평가하고 있다.

특히 빛과 물질이 말하는 속도를 극단적으로 끌어올린 이 기술이, 앞으로 상용 양자컴퓨터의 성능 기준을 바꾸는 기점이 될 수 있을지 업계의 관심이 집중되고 있다. 

연구를 주도한 MIT의 유펑 예 박사는"이번 연구는 지금까지 누구도 실험적으로 구현하지 못한, 비선형 빛-물질 결합의 새로운 영역을 열었다"며 "쿼톤 커플러는 초고속 큐비트 측정과 양자 게이트 실행의 가능성을 실질적으로 끌어올리는 기반 기술"이라고 논문을 통해 설명했다.

공동 저자인 케빈 오브라이언 교수는 "기존 양자 시스템이 결합 강도에서 부딪혔던 물리적 한계를 실제로 넘을 수 있는 방법을 찾아냈다"며 "이 기술은 단지 실험실 수준의 연구에 그치지 않고, 양자 기술을 산업적으로 활용하는 데 결정적 전환점이 될 것"이라고 기대감을 비쳤다.