양자 경쟁이 시작된 이래로 마이크로소프트(Microsoft)는 파악하기 어렵지만 잠재적으로 판도를 바꿀 수 있는 토폴로지 큐비트에 베팅했다. 이제 이 회사는 성모송이 10년 이내에 작동하는 프로세서를 구축할 수 있다고 말하면서 성과를 거두었다고 주장한다.

오늘날의 선도적인 양자 컴퓨팅 회사는 초전도 전자 장치, 포획된 이온 또는 광자로 만들어진 비트와 동등한 양자인 큐비트에 주로 중점을 두었다. 이러한 장치는 최근 몇 년 동안 인상적인 이정표를 달성했지만 오류로 인해 고전적인 컴퓨터를 능가할 수 있는 양자 컴퓨터가 여전히 먼 길을 가고 있는 것처럼 보인다.

반면에 Microsoft는 오랫동안 토폴로지 양자 컴퓨팅을 옹호해 왔다. 이 접근 방식은 개별 입자의 상태에 정보를 인코딩하는 대신 시스템의 전반적인 구조에 정보를 인코딩한다. 이론적으로 이것은 장치가 환경의 배경 소음에 훨씬 더 잘 견디도록 하여 어느 정도 오류를 방지해야 한다.

하지만 그렇게 하기 위해서는 MZM(마조라나 제로 모드 Majorana Zero Mode)이라는 특이한 형태의 준입자를 생성해야 하는데, 이는 매우 어려운 것으로 입증되었다. Microsoft 연구원의 새로운 논문은 이제 위업을 달성했다고 주장하고 초당 백만 개의 양자 작업을 수행할 수 있는 컴퓨터를 구축하는 데 사용하기 위한 로드맵을 제시했다.

Microsoft의 체탄 나약(Chetan Nayak)은 블로그 게시물에서 "수십 년 동안 연구자들이 회피해 온 물리학적 돌파구를 만들어야 했기 때문에 단기적으로 힘든 개발 경로였다."고 썼다. "많은 문제를 극복하고 동료 검토를 거친 논문을 공유하게 되어 기쁘다. Microsoft가 안정적이고 실용적인 양자 슈퍼컴퓨터를 만들기 위한 첫 번째 이정표를 달성했음을 입증했다."

양자 컴퓨팅에 대한 Microsoft의 접근 방식은 토폴로지로 알려진 모호한 수학 분야를 기반으로 한다. 물체가 변형되거나 비틀리거나 늘어져도 변하지 않는 물체 모양의 기본 속성을 설명하는 데 사용된다.

고전적인 예는 위상학적으로 도넛과 커피 머그가 각각 도넛의 중앙과 머그의 손잡이에 단일 구멍을 가지고 있기 때문에 같은 모양이라는 사실이다. 도넛을 한 입 베어물거나 머그잔을 깨뜨려도 전체적인 모양은 변하지 않지만 도넛을 반으로 자르거나 손잡이를 꺾으면 된다.

양자 컴퓨팅에 대한 통찰은 정보를 시스템의 토폴로지 상태에 저장할 수 있다면 마찬가지로 사소한 섭동에도 저항할 수 있다는 것이다. 그것은 오늘날의 선도적인 큐비트 기술의 취약한 양자 상태를 자주 방해하는 종류의 환경 소음에 크게 면역이 될 수 있다.

초기 연구에서는 MZM(단일 입자로 작동하는 특이한 전자 집합체)을 "위상학적 큐비트"를 생성할 수 있는 유망한 후보로 확인했다. 이론적으로 여러 MZM의 경로를 엮어 양자 계산을 수행할 수 있는 토폴로지 구조를 만들 수 있다. 한 쌍의 MZM 사이에 있는 각각의 소위 "브레이드"는 효과적으로 논리 게이트 역할을 한다.

그러나 이러한 토폴로지 큐비트를 생성하는 것은 매우 어려운 것으로 입증되었다. MZM을 생성할 수 있는 하드웨어를 구축하는 것은 까다로울 뿐만 아니라 양자 컴퓨터를 구축하는 데 사용되지 않는 다양한 유사한 양자 상태와 구별하는 것도 매우 어렵다. Microsoft는 실제로 2018년 초전도체에 연결된 나노와이어에서 MZM을 발견했다고 발표했지만, 다른 그룹이 복제할 수 없어 2021년 결과를 철회해야 했다.

그러나 이제 회사는 유사한 장치에서 MZM을 생성할 수 있음을 입증했다고 주장한다. Microsoft는 작년에 예비 결과를 발표했지만 이제 이 연구는 동료 검토 저널인 Physical Review B에 발표되었다. 이전에 철회된 연구는 와이어의 전기 전도도에서 갑작스러운 피크를 감지하는 데 의존했지만 이번에는 더 엄격한 프로토콜을 사용했다. 와이어의 양쪽 끝에서 MZM의 서명을 찾았다.

나약(Nayak)은 New Scientist에 이 새로운 테스트를 통과한 장치가 실제로 MZM을 나타내지 않을 확률은 8% 미만이라고 말했다. 다른 연구자들은 덜 확신했고 몇몇은 New Scientist에 새로운 테스트에 여전히 결함이 있으며 데이터의 일부 세부 사항은 결과가 다른 양자 효과의 결과일 수 있음을 시사한다고 말했다.

그럼에도 불구하고 Microsoft는 그 결과가 토폴로지 양자 슈퍼컴퓨터를 만들기 위한 6가지 로드맵의 첫 번째 단계를 시작했다고 말한다. 이제 회사는 MZM을 생성했으며, 다음 단계는 MZM을 사용하여 여러 큐비트를 연결하기 전에 토폴로지 큐비트를 만드는 것이다.

긴 여정처럼 보일 수 있지만 Microsoft의 크리스타 스보어(Krysta Svore)는 Tech Crunch에 10년 이내에 초당 100만 개의 양자 작업을 수행할 수 있는 완전한 규모의 양자 컴퓨터를 구축할 수 있을 것이라고 말했다.

그러나 Microsoft만이 이 분야에서 진전을 이루고 있는 것은 아니다. MZM은 비-아벨리안 애니온(non-Abelian anyons)이라고 하는 준입자 클래스에 속하며 위상 양자 컴퓨터를 만드는 데 사용할 수 있는 유일한 것은 아니다. 5월에 Google과 Quantinuum은 그들의 하드웨어가 이러한 모든 것을 생성할 수 있음을 보여주었다고 주장했다.

이것이 양자 컴퓨팅 환경에서 토폴로지 접근 방식으로의 주요 전환의 시작을 나타내는지 여부는 여전히 불분명하다. 그러나 이 기술에 대한 Microsoft의 초기 도박이 곧 성과를 거둘 수 있다는 증거가 증가하고 있다.

이미지 출처: Microsoft Azure