마요라나 제로 모드 - 한 물리학자의 유산에서 양자컴퓨터까지

Microsoft Reports Quantum Computing Breakthrough: https://youtu.be/NKYxdzSNqzE?si=tkdWGVbYvhn1-f1I

 

Sabine Hossenfelder는 마이크로소프트의 위상적 양자 컴퓨팅 발표가 흥미롭지만, 실제 기술적 검증이 부족하다고 지적한다. 마이크로소프트는 "마요라나 1" 칩을 통해 백만 큐비트 양자 컴퓨터로 나아갈 길을 제시했지만, 현재 신뢰성 있는 큐비트는 150개 수준이며, 대규모 양자 연산이 가능하다는 증거는 없다. 위상적 큐비트가 외부 잡음에 강하다는 이론은 있지만, 실질적으로 연산을 수행하는지 입증되지 않았다. 또한, 2018년 논문 철회 사건 이후 신뢰도 문제가 남아 있다. AI와 결합해 학습 속도를 100배 향상할 수 있다는 주장도 검증되지 않은 기대일 뿐이다. 그녀는 "좋아 보이지만 확실하지 않다"는 전문가 의견을 인용하며, 마이크로소프트의 연구가 중요한 성과이지만 과장된 기대를 경계해야 한다고 강조한다.

 

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Microsoft’s Majorana 1 chip carves new path for quantum computing - Source

 

나는 실질적인 어떤 투자 경험이 없다. 그러나 최근까지 양자 컴퓨터 관련 주식들에 투자를 해보았고, 소액이지만 30% 정도의 수익을 얻고 매각했다. 2년전에 계획대로 진행했다면 수익은 400% 정도 되었을 것이다. 여전히 방법에 무지하고, 투자 상품을 잘 모른다. 사실 더 근본적으로 돈을 넣어 본 이유는 시장의 '심리'를 느껴보고 싶어서였다. 그 과정에서 나름대로 '양자 컴퓨팅'이라는 분야에 관해 공부할 수 있었다. 그런 와중에 마이크로소프트의 소식은 눈길을 끌었다. 주식은 다 판 상황이어서 잘 모르겠지만, 이 소식이 퍼진 이후 아마도 다른 방식의 '양자주'들은 하락을 겪고 있을 듯 하다. 

나는 양자물리라는 분야가 우리 인류가 생각하는 방식을 근본적으로 바꿀 것이라는 의견들과 입장이 같다. 현대인인 우리가 과학적 언어를 통해서 다양한 상황을 설명하고, 때로는 농담도 주고 받듯, 시간은 꽤 걸리더라도 양자물리적 사고는 점차 인류의 사고의 기본값으로 서서히 자리매김하지 않을까 싶은 것이다. 개인적으로는 양자물리의 개념들이 지나치게 철학적 혹은 신비적으로 받아들여지는 것이 문제라면 문제가 아닐까 싶다.

1937년, 이탈리아의 물리학자 에토레 마요라나(Ettore Majorana)는 나폴리를 향해 떠난 후 세상에 모습을 드러내지 않았다. 실종된 그의 행방을 둘러싼 미스터리는 지금까지도 풀리지 않았다. 하지만 그가 남긴 한 가지 이론은 지금까지도 영감을 주고 있는데 "마요라나 페르미온(Majorana Fermion)"에 대한 가설이다. 마요라나는 기존의 물리학적 상식을 깨는 혁명적인 아이디어를 제시했다. 그는 입자와 반입자가 같은 형태로 존재할 수 있는 특수한 입자가 있을 것이라고 주장했다. 이를 마요라나 페르미온이라 부르며, 일반적인 전자와는 전혀 다른 방식으로 움직일 것이라고 예측했다. 하지만 이 입자는 실험적으로 검출되지 않았고, 본인도 사라진 마당에 그의 이론도 잊혀지는 것은 어쩌면 당연한 수순이었는지도 모르겠다.

2012년, 네덜란드 과학자들은 초전도 나노선(Superconducting Nanowire)과 강한 자기장 환경에서 마요라나 페르미온과 유사한 상태를 포착했다는 발표를 했다. 그러나 물리학자들은 곧 이 상태가 입자물리학에서 예측한 마요라나 페르미온 자체가 아니라, 응집물질물리학에서 형성될 수 있는 특수한 양자 상태임을 알게된다. 요컨대, 마요라나 페르미온은 입자물리학에서 독립적으로 존재할 수 있는 기본 입자라면, 마요라나 제로 모드는 초전도체 환경에서 전자가 집단적으로 형성하는 특수한 양자 상태라는 것이다. 마요라나 제로 모드는 특정한 조건에서 전자가 자기 자신의 반입자처럼 행동하는 현상을 보인다. 이는 실험적으로 초전도체 내부에서 구현할 수 있다. 이 상태는 특히 위상적 특성을 이용하여 양자 정보를 안정적으로 저장할 수 있는 가능성을 열었다.

위상적 양자 컴퓨팅 Topological Quantum Computing

마이크로소프트는 이러한 특성을 눈여겨보며 위상적 양자 컴퓨팅(Topological Quantum Computing) 기술을 연구하기 시작했다. 기존의 초전도 방식이나 이온 트랩 방식의 양자 컴퓨터는 외부 환경의 작은 변화에도 민감하게 반응해 양자 정보가 쉽게 손실되는 문제가 있었다 하지만 위상적 양자비트(Topological Qubit)는 이러한 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 가능성을 가진다고 여겨진다.

기존 양자비트는 외부 환경의 영향을 쉽게 받지만, 위상적 양자비트는 정보가 위상적 특성에 저장되므로 오류에 강하다. 기존 방식의 양자비트는 매우 정교한 오류 정정 알고리즘을 필요로 하지만, 위상적 양자비트는 이러한 문제를 자연적으로 억제하는 보호막을 갖추고 있다. 이러한 차이 덕분에, 위상적 양자 컴퓨팅은 적은 양자비트로도 높은 신뢰성을 확보할 가능성이 크다.

위상적 양자비트는 마요라나 제로 모드의 위상적 보호(Topological Protection) 덕분에 양자 정보를 저장할 때 외부 잡음의 영향을 덜 받는다. 이는 자연적으로 오류가 줄어드는 효과를 만들어내며, 결과적으로 양자 컴퓨터의 신뢰성과 확장성을 크게 향상시킨다.

마이크로소프트는 마요라나 제로 모드로 혁신을 꿈꾸는가?

마이크로소프트는 최근 위상적 양자비트 개발에 중요한 돌파구를 마련했다는 소식을 전하며 '마요라나 1'이라는 이름의 새로운 양자 컴퓨팅 칩을 공개했는데, 이 칩은 초전도체와 나노 구조를 정밀하게 설계하여 마요라나 제로 모드를 더욱 안정적으로 유지하는 기술을 사용한다는 것이 그들의 주장이다. '마요라나 1' 칩이 손바닥 크기의 단일 칩에 무려 100만 개가 넘는 큐비트를 담을 수 있다. 이는 기존의 양자 컴퓨터 칩보다 훨씬 높은 집적도를 자랑하며, 양자 컴퓨팅의 규모를 획기적으로 키울 수 있는 가능성을 제시한다. 마이크로소프트는 이 기술을 통해 수년 안에 상용화 가능한 양자 컴퓨터를 개발할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

흥미로운 점은 마이크로소프트가 양자 컴퓨팅과 인공지능(AI)의 결합을 통해 AI 학습 속도를 100배 이상 향상시킬 수 있을 것이라고 예측했다는 것이다. 만약 이것이 현실화된다면, AI 기술 발전에 엄청난 가속도가 붙을 것이며, 인류는 지금까지 상상하지 못했던 새로운 가능성의 세계를 마주하게 될 것이다.

 

이것이 양자 컴퓨팅의 미래인가?

구글의 방식은 기존 초전도체 기술을 개선하여 양자 게이트 연산의 속도를 높이고, 오류 정정을 통해 신뢰성을 확보하는 전략을 따른다. 하지만 환경 요인에 민감하여 큐비트 수를 대규모로 확장하는 데 어려움이 있다. 마이크로소프트는 마요라나 제로 모드를 이용한 위상적 큐비트를 개발하여 오류를 근본적으로 줄이는 방식을 채택했다. 이론적으로는 큐비트가 증가해도 오류율이 안정적으로 유지될 가능성이 크지만, 아직 실험적으로 완전히 검증되지 않았다. IONQ의 양자이온 방식은 개별 이온을 전기장으로 안정적으로 유지하며, 장시간 유지되는 큐비트의 특성 덕분에 현재 가장 높은 정밀도를 가진 양자 연산이 가능하다. 하지만 연산 속도가 상대적으로 느리고 확장성이 제한적이라는 한계가 있다.

마이크로소프트는 '위상학'이라는 신비로운 힘을 탐구한다. '마요라나 1'은 '마요라나 제로 모드'를 이용, 오류를 스스로 막는 '위상학적 큐비트'를 만들려 한다. 외부 공격에도 흔들리지 않는 견고한 성벽 같은 큐비트. 이론상으로는 큐비트가 늘어날수록 더욱 견고해지지만, 아직 미완성이다. 2018년의 실패는 넘어야 할 산맥이며, '마요라나 제로 모드'의 실체와 실용성은 아직 증명되지 않았다. 반면, 구글은 양자 우위를 이미 입증한 바 있어 실용적인 단계에 더 가까운 것으로 평가된다. IONQ는 현재 상용화에 가장 가까운 기업으로, 클라우드 기반 양자 컴퓨팅 서비스를 제공하며 실질적인 활용 가능성을 넓혀가고 있다. 섬세하고 정확한 연산은 '정밀함'이라는 보석을 만들어내지만, 느린 연산 속도와 확장성의 한계라는 그림자를 드리운다.

이번 사례를 통해 알 수 있는 것은 이것이 아닐까 한다. 마요라나 제로 모드는 단순한 물리학적 호기심이 아니라, 현실에서 작동하는 양자 컴퓨터의 가장 강력한 후보 중 하나로 떠오르고 있다. 마요라나 제로 모드를 이용한 양자 컴퓨팅은 아직 초기 단계에 있지만, 그 잠재력은 무궁무진하다. 마이크로소프트는 이 기술을 통해 가장 신뢰성 있는 양자비트를 만들고, 결국 수백만 개의 양자비트를 연결한 실용적인 양자 컴퓨터를 개발하는 것이 목표다. 만약 이 계획은 성공할까? 마이크로소프트는 마요라나가 남긴 유산을 이어받아 양자 컴퓨팅의 새로운 시대를 열 수 있을까? 그리고 더 나아간다면 이것은 "지금까지와 다른 기계의 지능" 시대의 초석이 될 것인가?