아마존웹서비스(Amazon Web Services, 이하 AWS)는 오늘 캘리포니아공과대학(California Institute of Technology)의 AWS 양자 컴퓨팅 센터 팀이 개발한 새로운 양자 컴퓨팅 칩 오셀롯(Ocelot)을 발표했다. 이 칩은 기존 접근 방식 대비 양자 오류 정정 구현 비용을 최대 90%까지 줄일 수 있으며, 현존 컴퓨터로는 풀 수 없는 상업적·과학적으로 중요한 문제 해결을 위한 내결함성(fault-tolerant) 양자 컴퓨터 개발에 큰 진전을 이룰 것으로 기대된다.
양자 컴퓨터의 오류 정정은 실용화를 위한 핵심 과제이다. 양자 컴퓨터는 외부 환경의 작은 변화에도 민감해 진동, 열, 전자 기기의 신호 등으로 인해 오류가 발생할 수 있다. 이를 방지하려면 여러 큐비트에 걸쳐 양자 오류를 정정하는 기술이 필요하지만, 기존 방식은 큐비트를 대량으로 요구해 비용이 매우 높았다. 오셀롯은 기존 방식의 한계를 넘어, 오류 정정에 필요한 자원을 크게 줄이는 방법을 제시한다.
AWS는 오셀롯 아키텍처의 설계 단계서부터 오류 정정 기능을 내장하고 고양이 큐비트(cat qubit)를 활용하는 새로운 방식을 채택했다. 슈뢰딩거의 고양이 사고 실험에서 이름을 따 온 고양이 큐비트는 비트 반전 오류(bit-flip error)를 자체적으로 억제해 오류 정정을 위한 자원을 크게 절감한다. AWS 연구원들은 오셀롯을 활용해 고양이 큐비트 기술과 추가 양자 오류 정정 구성 요소를 최초로 마이크로칩에 결합했다. 이 마이크로칩은 반도체 산업에서 차용한 제조 공정을 사용하여 확장 가능한 방식으로 제조할 수 있다.
양자 컴퓨팅의 발전에서도 하드웨어 기술이 핵심적인 역할을 한다. 과거에도 대형 전자 장치가 반도체 기반 시스템으로 전환되며 컴퓨팅 성능이 비약적으로 향상됐듯이, 오셀롯은 실용적이고 안정적인 양자 컴퓨터를 위한 기반을 마련할 것으로 기대된다.
오셀롯은 두 개의 실리콘 마이크로칩으로 구성되어 있으며, 각 칩은 약 1cm² 크기다. 이 칩들은 전기적으로 연결된 칩 스택 형태로 결합돼 있으며, 실리콘 표면에는 양자 회로 요소를 형성하는 얇은 층의 초전도 물질이 배치되어 있다. 오셀롯 칩은 14개의 핵심 구성 요소로 구성되어 있으며, 이 요소들에는 5개의 데이터 큐비트(고양이 큐비트)와 이를 안정화하기 위한 5개의 '버퍼 회로, 그리고 오류를 감지하기 위한 4개의 추가 큐비트가 포함된다.
AWS 연구팀의 실험 결과에 따르면, 오셀롯은 비트 반전 시간(bit-flip times)이 1초에 근접하는 성능을 보여주었는데, 이는 기존 초전도 큐비트보다 약 1,000배 더 긴 수명을 의미한다. 또한 위상 반전 시간(phase-flip times)은 20마이크로초를 기록했으며, 이는 양자 오류 정정에 충분한 수준이다.
고양이 큐비트는 오실레이터를 통해 계산에 사용되는 양자 상태를 저장하며, 오셀롯의 고품질 오실레이터는 탄탈륨(Tantalum) 초전도 물질의 얇은 필름으로 제작되었다. AWS 재료 과학자들은 실리콘 칩에 탄탈륨을 처리하는 특정 방법을 개발하여 오실레이터 성능을 향상시켰다.
한편, AWS는 네이처(Nature) 학술지를 통해 오셀롯에 대한 연구 결과를 발표했으며, 보다 기술적인 내용은 아마존 사이언스(Amazon Science)에서 확인할 수 있다.
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