컴퓨터 기술이 많이 발전하는 것 같지만 HDD 케이블이 SATA 방식으로 변하는데 20년 이상 걸린 것을 보면 생각보다 더디게 발전하는 모습도 보입니다. CPU도 마찬가지죠. 같은 공간에 더 많은 트랜지스터를 넣는 방식에서 벗어나지 못하고 있습니다. 그러나 많은 과학자들이 양자 컴퓨터를 개발하고 있습니다. 

양자 컴퓨터는 기존의 CPU와 달리 큐비트를 이용합니다. 기존의 CPU는 0 아니면 1로 복잡한 계산과 데이터를 처리합니다. 그러나 양자 컴퓨터의 큐비트(qubit)는 기존의 CPU가 0 아니면 1 둘 중 하나면 표시하는 방법과 달리 0과 1을 동시에 표현할 수 있습니다. 0과 1을 동시에 표현하는 것을 중첩이라고 합니다.  

이 중첩 효과를 이용하면 기존 컴퓨터로 수백만 년이 걸리는 계산도 몇 시간만에 계산을 할 수 있습니다. 그래서 많은 IT기업들이 이 양자 컴퓨터를 개발하고 있습니다. 만약 양자 컴퓨터가 상용화 되면 인류는 퀀덤 점프하는 새로운 시대가 열릴 것입니다. 

이 양자 컴퓨터의 큐비티를 기존의 반도체 기술을 응용해서 쉽게 제어할 수 있는 기술인 Flip-flop 큐비트 기술을 호주의 한 연구원이 과학잡지 Nature Cmoomunications를 발표했습니다.


양자 컴퓨터는 컴퓨터끼리 양방향으로 작동을 할 수 있는 컴퓨터입니다. 이게 가능한 것은 큐비트 덕분이죠.  큐비트는 기존 컴퓨터에 없는 개념으로 양자 컴퓨터의 최소 단위입니다. 큐비트를 여러 개를 이용한 것이 양자 컴퓨터입니다. 모든 큐비트를 개별적으로 제어하고 서로 작용 시키는 것이 쉽지 않아서 현재까지 양자 컴퓨터가 상용화 되고 있지 않습니다. 

호주의 사우스 웨일즈 대학(UNSW)대학은 기존 실리콘 반도체를 이용해서 고체 상태의 단일 큐비트를 이용해서 새로운 큐비트를 만드는 방법을 만들었습니다. 


호주 사우스 웨일즈 연구팀인 큐비트의 소재인 원자를 실리콘에 박아 넣었습니다. 실리콘 층에 박아 넣으면 큐비트를 안정적으로 제어할 수 있습니다. 


이렇게 실리콘에 박아 넣은 원자는 원자핵과 전자에 의해서 큐비트가 만들어집니다. 참고로 큐비트라는 것은 원자 속에 있는 원자핵과 전자를 트랜지스터처럼 정보를 담는 소재로 이용합니다. 즉 원자핵과 전자에 0과 1이라는 디지털 정보를 표현할 수 있는 매개체로 이용합니다. 

그러나 큐비트를 제어하기 위해서는 원자 크기로 큐비트를 배치해야 하는데 이게 상당히 어렵습니다. 기존 컴퓨터의 CPU가 미세 공정을 10nm 이하로 내려갈 수 없는 것이 너무 회로가 미세하다 보니 전자간의 간섭이 일어나서 노이즈가 생겨서 기존 CPU 제조 공정은 한계에 봉착하고 있습니다. 


이렇게 2개의 큐비트를 연동하면 큐비트가 중첩 효과가 일어나고 큐비트를 이용한 양자 컴퓨팅이 가능해집니다. 


 사우스 웨일즈 대학 연구자가 개발한 Flip-flop 큐비트를 실리콘 박은 후 이 큐비트를 반도체 게이트와 결합합니다. 


양자 컴퓨팅의 기본인 큐비트의 전자를 다운 포지션에 놓고 원자핵을 업 포지션에 넣으면 0으로 표시할 수 있습니다. 반대로 전자를 업 포지션, 원자핵을 다운 포지션에 놓으면 1을 표시할 수 있습니다. 전자와 원자핵의 상태를 이용해서 양자 정보를 부호화 할 수 있습니다. 

Flip-flop 큐비트는 원자에서 전자만 게이트로 올려서 전자를 제어할 수 있습니다. 즉 자력이 아닌 전력을 이용해서 실리콘에서 전자를 제어해서 큐비트 제어를 할 수 있습니다. 제어 기술은 기존 실리콘 반도체의 제어 방법과 다르지 않기 때문에 기존의 양자 컴퓨터 보다 훨씬 간단합니다. 


또한 큐비트 자체가 다른 큐비트에 영향을 줄 수 있는 전기장을 만들 수 있습니다. 


여기에 양자 얽힘이라는 것을 이용하면 멀리 떨어져 있는(거리의 제한이 없음) 큐비트도 상태를 동기화 할 수 있습니다. 이 양자 얽힘을 이용해서 큐비트를 늘리면 2의 N승의 처리 속도를 빠르게 할 수 있습니다.

그러나 이 Flip-flop 큐비트 기술은 양자 얽힘 기술을 크게 이용하는 것 같지는 않네요. 다만 기존에 큐비트 제어가 상당히 까다로운 기술이었는데 이걸 실리콘에 박아서 보다 쉽게 제어할 수 있는 기술입니다. 지금까지 양자 컴퓨터를 선도하는 기업은 IBM으로 16 큐비트를 이용하고 있습니다. 구글은 9큐비트입니다. 호주 사우스 웨일스 대학 연구팀은 2022년까지 이 Flip-flop 큐비트를 이용해서 10 큐비트 양자 컴퓨터를 만들 예정입니다.

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