[기술] 양자우위를 이어가는, 구글

 

 

최근까지 양자컴퓨터 큐비트는 초전도·이온트랩 방식이 주류이다. 기타 큐비트 개발플랫폼으로는 광자·중성원자·전자스핀 등이 있는데, 아직 확실한 우위를 점하는 플랫폼은 없다. 현재 글로벌 빅테크들이 앞다퉈 양자컴퓨터 칩을 선보이고 있는 중이다.

 

초전도 방식은 기존 반도체에서도 쓰이는 초전도 회로를 활용하는데, 거대한 냉각장치를 연결해 극저온 상태를 유지해야 한다. 2024년 말 구글이 발표한 윌로우(Willow)는 초전도 방식의 오류를 대폭 개선한 양자칩(105개 큐비트)으로, 초전도 트랜스몬 큐비트를 기반으로 했다. 큐비트 간 평균 3.47개의 연결성을 가진 정사각형 격자 구조로 설계되었는데, 이는 고도화된 양자오류 수정과 우수한 결맞음 시간(T1)이 결합되면서 기존의 양자칩 보다 5배 가량 향상된 안정성·성능을 보여줬다. 윌로우는 고전컴퓨터(수퍼컴퓨터)가 10자년(10의 24제곱) 걸리는 특정연산의 계산을 단 5분 만에 처리한다고 발표했다.

 

또 한번의 도약, 윌로우

 

2025년 10월 윌로우 프로세서가 슈퍼컴퓨터 보다 1.3만배 빠른 속도로 특정 알고리즘을 검증 가능하게 구현했다고 발표가 있었는데, 슈퍼컴퓨터로 3.2년이 요구되는 연산을 2시간 만에 완료한 것이다. 구글은 윌로우를 활용하여 QED 기술의 실질적 성과를 세계 최초로 입증했는데, QEC(Quantum Error Correction, 양자오류 정정부호)는 양자 컴퓨팅·통신에서 발생하는 오류를 검출·수정해 안정적으로 양자정보를 처리하는 기술이다. 기존의 정답 검증의 어려움을 해결함으로써 검증 가능한 양자우위를 보여 준 것이다. 기존의 양자우위가 아무도 풀 수 없는 수학문제를 풀어서 정답을 제시하는 방식이었기에, 정답을 검증하기 어려웠다. 2019년 구글의 첫 양자우위 발표도 신뢰도에 관한 논란이 있었다.

 

기존 양자컴퓨터에서는 큐비트가 많아질수록 오류가 급격히 증가하여 정답 검증이 불가능했지만, 윌로우는 큐비트 수를 늘릴 때 오히려 오류율을 기하급수적으로 줄일 수 있는 표면 코드(Surface Code) 방식을 적용했다. 물리 큐비트의 결어긋남(decoherence)과 잡음을 여러 큐비트로 분산·중복시킴으로써, 논리 큐비트 정보를 보호하고 오류를 능동적으로 교정한 것이다. 윌로우는 정답을 알고 있는 문제를 양자컴퓨터로 훨씬 빠르게 풀어냄으로써 정확도·속도를 증명했다.

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윌로우는 65개의 큐비트 회로를 통해 OTOC 값을 계산하고, 양자입자들의 상호작용 및 간섭을 시뮬레이션했다. OTOC(Out-of-Time-Ordered Correlator)는 양자컴퓨팅 시스템 내 정보의 혼돈과 복잡하게 얽힌 양자 상태의 변화와 미세한 상호작용과 간섭효과를 측정하는 도구로, 양자시스템의 동적 행동과 정보전파 속도를 효율적으로 분석할 수 있다. 인간이 인지하지 못하는 힘(중력·자기장 등)이 양자에 미치는 영향을 감지하게 된 것이다. 양자 단위에서 일어나는 극미세한 차이(거리·각도 등)를 감지하는 초고감도 센싱이 가능하게 되었으며, 인체든 물질이든 지금과는 차원이 다른 정밀구조를 파악할 수 있다.

 

퀀텀 에코스(Quantum Echoes)는 OTOC를 응용한 측정 알고리즘으로, 양자컴퓨터 내 신호를 증폭시켜 메아리처럼 되돌아오는 양자신호를 감지하게 된다. 퀀텀 에코스는 얽힘 상태, 오류율, 시스템 전반의 동적 특성을 높은 민감도를 측정할 수 있으며, 최신 양자칩(윌로우, 마요나라1 등)의 성능을 검증할 수 있다. 2025년 10월 현재 기준으로 양자컴퓨티의 실질적 응용 가능성을 가늠하는 기준이 되고 있다. 초고감도 센싱기술은 다음의 다양한 분야에서 활용될 수 있다.

 

반도체

신물질(신약 포함) 개발 : 원자·분자 단위의 구조 및 상호작용 측정

암치료 : 암세포가 만들어내는 미세한 자기장 변화 감지

BCI(뇌-컴퓨터 인터페이스)

우주 관측

 

위상 전도체를 활용한, MS

 

1937년 에토레 마요라나(이탈리아 물리학자)는 어느 한 입자의 존재를 예측한 후, 1938년 실종되었다. 훗날 그가 발견했던 입자는 마요라나 페르미온(Majorana fermion)으로 명명되었는데, 이는 입자·반입자(내지 물질·반물질)가 동일한 페르미온이다. 페르미온(Fermion)은 엘니코 페르미(이탈리아 물리학자)의 이름에서 유래한 명칭으로, 반정수 스핀을 가지면서 여러 물질(양성자·중성자·전자 등)를 구성하는 기본입자이다.

 

마요라나 페르미온은 초전도체·양자스핀액체에서 준입자 형태로 관측되거나 마요라나 결합상태(마요라나 제로모드)를 형성할 수 있다고 하나, 아직 증명되지 않은 것으로 알려져 있다. 하지만 2012년 델프트대학(네덜란드)의 연구진이 나노와이어를 사용하여 마요라나 페르미온의 징후를 포착하기도 했다고 한다. 2025년 2월 MS가 발표한 마요라나1(Majorana 1)에는 8개의 큐비트가 들어가며, 향후 단일 프로세서 내에 100만개 이상의 큐비트를 집적할 계획이다. 이는 위상 전도체 기술을 적용한 최초의 양자칩 방식으로, 기존 양자칩의 문제(오류율·확장성)를 동시에 개선한 혁신기술로 평가된다.

 

위상 초전도체(Topological Superconductor)는 빛·온도 변화를 비롯한 어떤 상황에서도 특성이 변하지 않으며, 전기저항이 없고 특정한 양자상태를 유지하는 위상적 보호상태를 제공한다. 위상 초전도체는 양자정보를 안정적으로 저장해야 하는 양자컴퓨팅에 유용할 수 있으며, 위상 양자컴퓨터는 애니온 기반의 비국소적 큐비트를 사용하여 내·외부의 교란에도 견고한 양자상태를 유지하게 된다. 물론 에너지 손실 없이 송전도 가능하다. 하지만 위상 초전도체 기술이 현실적으로 구현이 가능한지에 대해서는 지켜봐야 할 문제이다.