디지털 세계(노트북, 연결된 인터넷, 이 모든 것을 구현하는 회사)는 비트 기반 위에 있다. 이 비트는 디지털 컴퓨터가 말하는 언어이다.

비트는 두 가지 방식으로 제공된다. 수치적으로 이 두 가지 상태는 1과 0으로 표시된다. 컴퓨터 칩에서는 켜져 있거나 꺼져 있는 트랜지스터라고 하는 소형 스위치에 의해 물리적으로 만들어진다. 컴퓨터 코드는 물리적 비트와 숫자 비트를 "예" 또는 "아니오" 및 "만약" 또는 "그때"와 같은 기본 논리적 빌딩 블록으로 결합한다. 수십억 개의 비트를 연결하면 스프레드시트, 가족 사진, 트윗, AI 및 수조 달러 기업을 얻을 수 있다.

비트는 디지털 시대의 기본 입자이다. 그러나 새로운 기본, 그리고 어떤 면에서는 더 강력한 정보 단위인 큐비트가 등장하고 있다.

큐비트는 양자 컴퓨팅의 언어이며 고전 비트와 같이 1과 0의 값을 취하거나 양자 역학의 이상한 법칙 덕분에 이 둘을 동시에 조합할 수 있다. 중첩이라고 알려진 이 상태는 마법이 일어나는 곳이다. 중첩된 큐비트는 기존 비트보다 더 많은 가능성을 탐색할 수 있으며 양자 상태가 함께 연결되거나 얽혀 있을 때 병렬로 협력하여 엄청나게 복잡한 계산을 순식간에 해결할 수 있다. 미래의 양자 컴퓨터는 고전적인 컴퓨터를 대체하지 않을 것이지만, 어떤 경우에는 고전적인 컴퓨터가 할 수 없는 문제를 해결할 수 있게 된다.

그러나 현재 상황은 조금 더 복잡하다. 양자 컴퓨터가 공식적으로 이론에서 사실로 발전했지만(놀라운 성과) 아직 실용적인 것은 없다.

유용한 양자 컴퓨터를 실현하기 위해 Google, IBM, Microsoft, Amazon 및 기타 업체는 큐비트의 무리에서 실행되는 기계에 리소스를 쏟아 붓고 있다. Google과 IBM이 선호하는 가장 인기 있는 접근 방식은 초전도 와이어의 작은 루프를 사용하는 것이다. Honeywell과 IonQ는 갇힌 이온으로 구성된 원자 큐비트를 추구하고 있다. 중국의 연구원들은 거울과 빛으로 양자 계산을 실행하기 위해 실험실 벤치에 복잡한 Rube-Goldberg와 같은 기계를 만들고 있다.

양자 경쟁은 아직 해결되지 않았으며 이번 주 네이처에 발표된 논문에 요약된 대로 트랙에 새로운 말이 있다. 초전도 루프, 이온 또는 광자 대신 에너지부의 아르곤 국립 연구소가 이끄는 과학자 팀이 단일 전자로 큐비트를 만들었다.

Argonne의 과학자이자 이 프로젝트의 수석 연구원인 Dafei Jin은 보도 자료에서 "우리의 야심찬 목표는 이러한 회사와 경쟁하는 것이 아니라 이상적인 플랫폼으로 이어질 수 있는 근본적으로 새로운 큐비트 시스템을 발견하고 구축하는 것이다."라고 말했다.

핵심 돌파구? 네온 아이스.

팀은 네온 가스를 절대 0도에 가깝게 냉각시켰고 이 지점에서 응고되었다. 그런 다음 그들은 전구 필라멘트의 전자를 고체 네온 표면에 뿌렸다. 네온은 약간의 양전하로 전자를 끌어당기는 동시에 정착할 곳도 제공하지 않는 불활성(또는 비반응성) 원소이기 때문에 전자가 표면에 갇히게 되었다. 일단 갇힌 전자는 전극으로 움직일 수 있고 마이크로파 공진기로 상태를 측정할 수 있다.

"마이크로파 공진기는 큐비트의 상태를 읽는 방법을 결정적으로 제공한다."라고 이 논문의 공동 저자이자 세인트루이스에 있는 워싱턴 대학의 물리학 교수인 Kater Murch가 말했다. “큐비트와 마이크로웨이브 신호 간의 상호 작용에 집중한다. 이를 통해 큐비트가 얼마나 잘 작동하는지 측정할 수 있다.”

과학자들이 전자를 큐비트로 바꾸려고 시도한 것은 이번이 처음이 아니다. 그러나 1990년대에 헬륨 표면에 입자를 가두려는 이전의 시도는 너무 어려운 것으로 판명되었다. 헬륨은 낮은 온도에서도 액체이며 액체 주위를 출렁거리면서 전자를 교란시켰다. 반면에 네온 아이스는 전자 큐비트를 위한 매우 안정적인 집을 만든다.

팀은 이상적인 큐비트가 1초 이상 중첩되거나 응집되어야 하며, 10억분의 1초 이내에 상태를 변경하고 규모에 따라 다른 큐비트와 얽혀야 한다고 말한다. 전자 큐비트의 특성을 측정한 결과 큐비트가 220나노초 동안 중첩을 유지하고 불과 나노 초 만에 상태를 변경한다는 사실을 발견했다. 성능은 수년간 개발 중인 기존의 최첨단 큐비트와 동등하다.

그들은 시스템의 단순성이 저비용 제조에 적합하다고 생각하지만 규모는 불확실하다. Jin은 IEEE 스펙트럼에 “명확한 답이 있다고 말할 수는 없다”고 말했다. “여전히 모든 큐비트 플랫폼이 공유하는 문제이다. 우리는 초전도 큐비트보다 더 잘하고 갇힌 이온만큼 좋은 방법을 몇 가지 가지고 있다. 하지만 단기간에 수백 큐비트를 달성하는 것은 쉽지 않다”고 말했다.

그러나 과학자들은 플랫폼을 완성하기 시작했을 뿐이라고 말한다. 그들은 전자의 움직임을 기반으로 하는 전하 큐비트의 전자를 보다 안정적인 스핀 큐비트로 변환하고 여러 큐비트도 얽힘으로써 일관성을 더욱 향상시킬 계획이다.

그러나 큰 그림에서 작업은 개발 초기 단계에 있다. 이에 비해 IBM은 작년에 127개의 초전도 큐비트를 탑재한 양자 칩을 공개했으며 올해에는 433개, 2023년에는 1,121개를 탑재한 칩을 완성할 계획이다. 한편 갇힌 이온 양자 컴퓨터는 큐비트가 더 적지만 이미 더 높은 충실도를 달성하고 있다.

그렇더라도 후발 업체가 경쟁에서 앞서 나갈 수 있다. 초전도 큐비트는 까다롭기 때문에 오류 수정을 위해 수천 또는 수백만 큐비트 칩이 필요하다. 이것이 Microsoft가 위험하고 아직 가설적이지만 이론적으로는 토폴로지 큐비트라고 하는 확장 가능한 접근 방식에 베팅하는 이유이다. 이 퀘스트는 경쟁자들보다 몇 년 뒤쳐져 있지만, 성공할 경우 토폴로지 큐비트가 앞서 나갈 수 있다고 믿는다.

현실은 임박한 실용성에 대한 일부 주장에도 불구하고 실제로 유용한 양자 컴퓨터의 타임 라인에서 우리가 정확히 어디에 서 있는지 불분명하다는 것이다.

메릴랜드 대학(University of Maryland)의 응축 물질 이론 센터(Condensed Matter Theory Center) 소장인 Sankar Das Sarma는 최근 MIT Technology Review에 기고한 글에서 “당장 문제는 오늘날과 같은 양자 컴퓨팅 개발이 그 일정에서 어디에 배치되어야 하는지이다. “1903년에 라이트 형제와 함께였는가? 1940년경 최초의 제트기? 아니면 우리가 레오나르도 다빈치의 비행 기계와 함께 16세기 초반으로 돌아가고 있는 것일까? 모르겠다. 다른 사람도 마찬가지이다.”고 말했다.

따라서 모든 회사와 연구 그룹은 확장 가능한 접근 방식이 될 것이라고 열정적으로 믿고 있지만 킬러 큐비트(네온 아이스 위의 전자일 수 있음)는 이제 막 등장했을 뿐이거나 아직 발명되지 않았을 가능성이 있다.