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마이크로소프트(MS)가 세계 최초로 위상 초전도체를 사용한 양자 칩 ‘마요라나 1’을 개발해 2월 19일(현지시간) 공개했다. 마요라나 1이 외부 환경의 영향을 적게 받아 큐비트를 안정적으로 구현할 수 있다는 중간 연구 결과도 같은 날 국제학술지 ‘네이처’에 게재됐다. doi: s41586-024-08445-2
마요라나 1 양자 칩은 마요라나 준입자라는 특수한 양자 입자를 기반으로 작동한다. 준입자는 고체나 초전도체 내부에서 개별적인 입자처럼 행동하는 집단적 양자 상태를 뜻한다. 마요라나 준입자는 위상 초전도체 내에서 마요라나 입자의 특성 중 하나인, ‘자기 자신이 자신의 반입자’인 성질을 가진다. 이때 마요라나 준입자는 두 개가 짝을 이뤄 서로 얽혀 있는 상태로 존재하는데, 그 덕에 외부 환경의 영향을 적게 받고 양자 정보를 저장하는 데 유리하다.
MS 연구팀은 인듐비소(InAs)와 알루미늄(Al)을 활용해 마요라나 준입자가 생성될 수 있는 위상 초전도체를 만들었다. 위상 초전도체는 전류를 저항 없이 흐르게 하면서도, 전자의 특이한 움직임(위상 특성) 때문에 특별한 성질을 가진 초전도체다. 인듐비소는 매우 강한 ‘스핀-궤도 결합’을 가진 반도체다. 전자의 스핀을 조작해 전자의 이동을 조절할 수 있어 양자 정보 처리가 쉽다. 또, 다른 반도체에 비해 전자 이동이 자유롭다는 특징도 갖고 있다. 즉 양자적 효과를 만들기 좋은 환경이다. 알루미늄은 낮은 온도에서 초전도성이 나타나는 대표적인 초전도체다. 연구팀은 이를 활용해 인듐비소 표면에 얇은 알루미늄층을 증착했다. 그러면 인듐비소 내부에 위상 초전도체 상태를 만들 수 있다. 인듐비소는 초전도체가 아니지만 특정 초전도체와 접촉하면 일부 초전도성을 가질 수 있기 때문이다. 여기에 자기장을 걸어 전자의 움직임을 만들고, 위상 초전도체에 마요라나 준입자가 형성될 수 있는 조건을 조성했다.
마요라나 1은 8큐비트 규모다. 위상학적 큐비트는 기존 큐비트보다 확장성이 뛰어나고 오류율이 낮은 방식으로 평가받고 있다. 다만 네이처는 MS가 공개한 논문이 중간 결과에 불과하며, 자료를 전부 공개하지 않았다는 점에서 “일부 물리학자들은 결과에 회의적이다”고 말했다. 마요라나 1을 사용한 큐비트 연산 데이터가 없다는 점도 회의적 시각을 거든다. 한편, MS는 “마요라나를 사용해 100만 개 이상의 큐비트를 활용한 양자 컴퓨터를 개발할 수 있다”며 “양자 컴퓨터 상용화가 수년 내 이뤄질 수 있을 것”이라고 기대를 드러냈다.
