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중성원자 양자컴퓨터는 전기적으로 중성인 원자를 개별 포획해 ‘큐비트’로 사용하는 양자컴퓨터다. 최근 국제학술지 ‘네이처’에 이 방식으로 중성원자 3000큐비트 연속 운용과, 6100큐비트 배열을 구현한 연구가 연이어 발표됐다. 두 연구는 각각 시스템의 안정성, 큐비트의 규모와 품질을 개선했다는 평가를 받는다.
양자컴퓨터는 0과 1이 중첩된 상태를 가질 수 있는 ‘큐비트’를 사용해 연산한다. 몇몇 분야에서 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 연산을 실행할 수 있을 것으로 기대된다. 단, 그러기 위해서는 큐비트의 수를 늘리고 안정된 양자 상태가 무너지지 않도록 품질을 관리해야 한다. 9월 15일, 미하일 루킨 미국 하버드대 물리학과 교수팀은 3000큐비트 중성원자 시스템을 만들어 2시간 이상 연속 운용했다고 밝혔다. 3000큐비트는 2024년 독일 다름슈타트공대 연구팀이 만들었던 1305큐비트 규모를 두 배 이상 뛰어넘는 숫자다. doi: 10.1038/s41586-025-09596-6
비결은 빠르게 대규모의 중성 원자를 옮길 수 있는 ‘광학 격자 컨베이어 벨트’ 기술이다. 루킨 교수팀은 먼저 중성 상태의 루비듐(Rb) 기체가 저장된 ‘원자 저장소’를 만들었다. 이후 레이저 빛을 이용해 컨베이어 벨트처럼 대량의 루비듐 원자를 한번에 진공 챔버로 옮겼다. 루비듐 원자는 2차원으로 배열해 큐비트로 만들었다. 큐비트는 오랫동안 일정한 양자 상태를 유지하기 어렵다는 단점이 있다. 그러나 루킨 교수팀은 컨베이어 벨트로 새로운 중성원자를 계속 공급하면서 3000큐비트 배열을 2시간 동안 유지하는 데 성공했다. 안정적으로 중성원자 양자컴퓨터 시스템을 유지할 수 있는 기반을 보여준 것이다.
한편 9월 24일, 마누엘 엔드레스 미국 캘리포니아공대 물리학과 교수팀이 6100큐비트 배열로 사상 최대 중성원자 큐비트를 만드는 데 성공했다. doi: 10.1038/s41586-025-09641-4 엔드레스 교수팀은 레이저 빛을 1만 2000갈래로 분할해 6100개의 세슘(Cs) 원자를 진공 챔버 안에 고정해 큐비트로 만들었다. 뿐만 아니라 엔드레스 교수팀은 개별 큐비트를 99.98% 정확도로 조작했다. 연구에 참여한 교헤이 노무라 캘리포니아공대 물리학과 연구원은 “이제 우리는 (큐비트의) 양과 질을 모두 갖췄다”고 보도자료에서 밝혔다.
