핵심 인재, 산학계 파트너, 연구 성과로 본 '마이크로소프트의 양자컴퓨팅'

페르미온(Fermions) 발견
마이크로소프트는 꽤 오래전에 양자컴퓨팅에 투자했다. 구글 같은 다른 유수 회사들이 이 분야에 뛰어들기 훨씬 전이다. 윈도우 비스타 출시 전인 2004년에 첫 번째 양자컴퓨팅 연구소를 만들었다. UC산타바바라에 위치한 스테이션 Q 랩이다. 초대 소장은 1997년부터 마이크로소프트에서 일했으며, 양자 역학 토폴로지와 관련된 과학적 성취를 이룬 수학자인 마이클 프리드먼이었다. 

양자컴퓨팅의 수많은 도전과제 중 하나는 양자 정보의 기본 단위로 2개의 상태를 가진 큐비트(Qubit)의 불안정성이다.

많은 경고 없이 사라지는 경향이 있고, 환경이 아주 조금만 바뀌어도 붕괴의 위험이 있다. 양자컴퓨팅은 이렇게 쉽게 붕괴되는 ‘물리적 큐비트’를 방해로부터 보호가 되고, 양자 정보를 보유할 수 있을 정도로 안정적인 ‘논리적 큐비트’로 전환할 수 있을 때만 구현된다.

마이크로소프트는 이런 정밀한 문제의 솔루션 중 하나를 토폴로지 시스템에서 찾을 수 있다고 믿는다. 기즈모도(Gizmodo)의 설명에 따르면, 이는 변화에도 불구하고 고유 특성을 유지하도록 엔지니어링 할 수 있는 장비들이다.

이런 토폴로지 큐비트에 대한 열쇠는 마요라나 페르미온에 있다.

이탈리아의 이론 물리학자인 에토레 마요나라는 반입자이기도 한 입자에 대한 가설을 제시했다. MIT 테크놀로지 리뷰의 설명에 따르면, 이런 입자 둘이 만나면 에너지가 폭발하면서 서로를 소멸시킨다.

물리학자들은 지난 10년이 시작되기 직전까지 이 ‘마요나라 페르미온’을 증명하려 시도했다. 그러다 마이크로소프트가 위탁한 연구를 수행하던 네덜란드의 팀이 돌파구적 발견을 발표했다.

2012년 피직스월드의 보도에 따르면, 레오 쿠오벤호벤이 이끌던 델프트와 아인트호벤의 연구팀이 마요나라 페로미온이 존재한다는 증거를 발견했다. 이들은 토폴로지 초전도체(표면에서 벌크 상태지만 일반적인 금속 상태로 초전도체로 기능하는 물질)를 연구하는 과정에 나노와이어의 한쪽 끝에 정의하기 어려운 물질이 위치하는 것을 발견했다.

나노와이어의 한쪽 끝은 초전도체 가까이 위치하며, 다른 한쪽 끝은 금 소재 전극에 연결되어 있다. 이를 모두 우주 공간과 비슷하거나 낮은 온도인 수십 밀리켈빈(millikelvin)으로 냉각한다. 그리고 나노와이어를 따라 자기장을 적용한다. 연구팀은 장비에서 자기장과 전기장에 반응하지 않는 것은 나노와이어의 한쪽 끝에 포함된 마요나라 페르미온의 존재로만 설명이 가능하다고 주장했다.

보다 최근에는 델프트 공과대학교와 마이크로소프트 주도로 이런 토폴로지 장비에서 분열되고 분절된 입자와 관련해 진전된 성취를 이루었다. 기즈모도는 이와 관련해 “이런 시스템에서 양자 정보는 단일 입자가 아닌 전체 와이어의 집합적 행동(동작)으로 저장이 될 것이다. 자기장의 와이어를 조정하면 전자의 절반, 더 정확히 말해 전자와 전자가 아닌 것의 중간에 해당하는 입자가 한쪽 끝에 위치하게 되는 것으로 보인다. 이런 마요나라 페르미온, 또는 마요나라 제로 모드를 시스템의 집합적인 토폴로지 동작이 보호를 하며, 다른 것에 영향을 주지 않고 와이어를 따라 이동시킬 수 있다. 또한 이런 마요나라 제로 모드로 2개 큐비트 상태가 구성된다. 이를 결합하면 제로 입자, 또는 완전한 하나의 입자로 변환된다”라고 설명했다.

이러한 발견과 관련, 레오 쿠오벤호벤은 <컴퓨터월드UK>에 “사실 처음에는 우리가 측정한 작은 ‘제로 바이어스 피크(Zero-bias peak)’가 마요나라와 관련이 있다고 생각하지 않았다. 한 달 정도 지나서야, 우리가 제 궤도로 움직이고 있다는 점을 확신할 수 있었다. 또 3개월이 더 지나서야 축하할 정도의 성취라는 점을 깨달았다”라고 말했다.

러브에 따르면, 이런 큐비트는 절대온도 0도보다 아주 조금 높은 온도에서 구현된다.

그녀는 “우리가 정보를 물질 자체에 인코딩할 수 있는 나노와이어를 토대로 큐비트를 개발하고 있다”라고 말했다.

이를 위해서는 하니웰과 제휴해 개발한 것 같은 전혀 다른 제어 시스템이 필요하다. 그녀는 “극저온 칩은 3개 와이어만 이용해 최대 1만 큐비트를 제어할 수 있다. 이 입자에는 특징이 있다. 이런 나노와이어에 대해 생각할 경우, 적합한 전기 및 자기장을 이용해 전자를 분절시켜 나노와이어 양쪽 끝에서 가운데에 놓을 수 있다”라고 설명했다.

마이크로소프트는 노이즈가 많지 않은 더 견고한 큐비트를 구현하기 원한다. 러브는 “노이즈가 많은 큐비트는 실험실에서 항상 구현이 가능하다. 그러나 ‘충격(영향)’을 실현하기 위해서는 더 성능이 더 높고 견고한 큐피트가 필요하며, 토폴로지 시스템이 이에 대한 ‘답’으로 판단된다”라고 말했다.

양자의 활용
과거에는 마이크로소프트의 연구들이 우리가 아는 세상을 완전히 혁신하지는 못할 것 같았다. 그러나 지금 당장 양자컴퓨팅에 대한 지식을 활용할 수 있는 분야가 있다. 최적화 문제들이 여기에 해당한다.

러브에 따르면, 마이크로소프트의 연구는 알고리즘에 대한 더 깊은 이해를 제공했다. 아직은 실제 작동하는 미래의 양자 컴퓨터에 사용할 수 있는 알고리즘들을 준비하는 단계이지만, ‘양자에 기반한(Quantum-inspired)’ 알고리즘은 지금 당장도 전통적인 컴퓨터에 활용이 가능하다.  이는 변수가 아주 많은 까다로운 최적화 문제에 아주 유용하다.

러브는 “양자에 기반을 둔 문제 해결 방식으로 상당한 발전을 일궈낼 수 있음이 증명되었다. 이것이 돌파구적 발견으로 이어졌다”라고 말했다.

마이크로소프트는 이런 ‘양자 기반’ 방법들을 테스트하기 위해 오하이오 소재 케이스 웨스턴 리저브 대학과 협력했다. 2018년, 마이크로소프트는 MRI를 이용한 암 진단과 관련, 이 기관을 지원하기 시작했다.

이 대학의 연구원들은 강력하지만, 값이 비싸고, 기존 MRI 스캔보다 조금 발전된 MRF(Magnetic Resonance Fingerprinting)를 혁신하는 연구를 시작했다. MFR는 고정된 데이터 포인트 계열 대신, 변동되는(그러나 일정한) 펄스 시퀀스를 사용하는 방법이다.

그러나 이 방법에는 최적화 문제가 존재한다. 또한, 더 효율적이면서 효과적인 이미지를 도출하기 위해서는 이상적인 펄스 시퀀스를 찾아야 한다.

러브에 따르면, 마이크로소프트의 ‘양자에 기반을 둔 이해’ 방식은 팀이 협력, 정확도를 30%까지 높이고, 이미지 품질을 손상하지 않으면서, 3배 더 빠르게 스캔을 할 수 있도록 도움을 주는 알고리즘을 개발하는 데 도움을 주고 있다. 스캔한 세포를 더 명확히 이해 및 파악, 더 빨리 진단하는 데 목적이 있다.

이런 연구 및 활동은 불가능하거나 매우 어려운 것으로 생각되었던 과학적 난제들을 다시 돌아보게 만드는 잠재력이 있다.

러브는 “우리가 협력하고 있는 마크 그리스올드는 연구 지원금을 거부당했었다. 펄스 시퀀스 최적화가 해결이 불가능한 것으로 여겨졌기 때문이다. 몇 달간 협력하면서 많은 새로운 개념들이 도출되었다. 그러면서 ‘불가능한 것이 아니라면?’이라고 말할 수 있는 단계가 되었다”라고 말했다. ciokr@idg.co.kr