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양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터로는 풀 수 없는 복잡한 문제를 단번에 해결할 수 있다. 일반 컴퓨터가 0과 1로 구성된 비트(Bit)를 기본 연산자로 사용하는 반면, 양자 컴퓨터는 0과 1이 중첩된 상태를 표현할 수 있는 ‘큐비트(Qubit)’ 연산자를 쓰기 때문이다. 그럼에도 큐비트는 중첩 상태를 오래 유지하기 어렵다는 한계가 있어, 양자 컴퓨터 여러 대를 하나의 네트워크로 연결하는 기술은 아직 실현되지 못했다.
최근 더글 메인 영국 옥스퍼드대 물리학과 교수팀은 ‘양자 순간이동’으로 알려진 특성을 활용해 여러 양자 컴퓨터들을 하나의 네트워크로 연결하는 ‘분산 양자 컴퓨팅(DQC)’ 기술을 개발했다. 연구 결과는 2월 5일 국제학술지 ‘네이처’에 실렸다. doi: 10.1038/s41586-024-08404-x
양자 순간이동은 한 위치에서 다른 위치로 양자 상태 정보를 즉각적으로 전송하는 기술이다. 이를 활용하면 물리적으로 떨어진 두 개의 양자 컴퓨터를 하나처럼 사용할 수 있다.
이를 실현하기 위해 연구팀은 ‘양자 얽힘’을 활용했다. 양자 얽힘은 두 입자가 멀리 떨어져 있어도 계속 연결돼 한 입자에 가해진 작용이 다른 입자에도 동시에 영향을 미치는 현상이다. 즉, 하나의 계산기에서 진행된 계산 과정이 다른 계산기로 동시에 공유될 수 있다는 뜻이다.
연구팀은 스트론튬(Sr) 이온과 칼슘(Ca) 이온이 들어 있는 ‘양자 모듈’을 만들었다. 칼슘 이온은 계산을 담당하는 큐비트 역할을, 스트론튬 이온은 양자 얽힘 정보를 전달하는 송수신기 역할을 한다. 연산을 시행할 때 칼슘 이온의 연산 정보가 스트론튬 이온으로 전달된다. 이후 스트론튬 이온은 멀리 떨어진 양자 컴퓨터 속 스트론튬 이온과 광 네트워크를 형성해, 양자 얽힘 상태를 유지한 채 해당 정보를 실시간으로 공유한다. 양자 상태 자체를 전송함으로써 멀리 떨어진 두 개의 프로세서가 하나의 시스템처럼 연산하도록 한 것이다.
분산 양자 컴퓨터를 기존 양자 연산 알고리즘으로 시험한 결과, 71%의 성공률을 기록했다. 연구팀은 이를 통해 큐비트의 성능 저하 없이 양자 컴퓨터 간의 확장성을 늘릴 수 있을 것으로 기대했다.
메인 교수는 영국 인터넷 신문사 인디펜던트와의 인터뷰에서 “완전히 연결된 단일 양자 컴퓨터를 구현하는 데 성공했다”고 밝혔다.
