ETH 취리히, 기계적 진동 기반 양자 메모리 칩 Science 발표

고전 컴퓨터 구조에서 영감을 얻은 양자 아키텍처

Chu 연구팀이 제안한 구조의 핵심은 처리 장치와 저장 장치의 명확한 분리다. 고전 컴퓨터에서 CPU가 RAM에 저장된 데이터를 불러와 처리하고 다시 저장하는 방식처럼, 이 시스템에서는 초전도 큐비트가 CPU 역할을 맡고 기계적 공진기 배열이 양자 작업 메모리로 기능한다. 기존의 많은 양자 컴퓨팅 모델이 처리와 저장을 단일 구조 안에 통합해온 것과 구별되는 접근이다.

기계적 공진기의 동작 원리

공진기는 기타 줄처럼 다양한 방식으로 진동할 수 있다. 물리학 용어로 '진동 모드'라 불리는 이 각각의 진동 유형은 메모리 슬롯에 해당하며, 슬롯 안에 담긴 특정 진동 상태가 실제 저장된 정보의 내용에 해당한다. 양자역학이 적용되는 이 환경에서는 해당 상태들이 중첩되거나 서로 얽힐 수 있어, 고전적 진동과는 근본적으로 다른 연산 경로를 제공한다.

전자기 메모리 대비 이점과 한계

기존의 전자기 방식 양자 메모리는 정밀한 상태 제어가 가능하지만 소자 크기가 크다는 단점이 있다. 반면 기계적 공진기는 물리적으로 훨씬 작고 더 많은 진동 모드를 지원하기 때문에 단위 부피당 저장 용량이 높다. 또한 양자 상태의 유지 시간, 즉 결맞음 시간이 상대적으로 길어 정보 손실을 줄일 수 있다. 다만 연구팀 스스로도 인정하듯 이 접근법이 실용화되려면 더 큰 규모의 시스템에서도 안정적으로 작동하는지, 즉 확장성 문제를 반드시 해결해야 한다.

실증 실험 결과와 의미

연구팀은 Science 논문에서 초전도 큐비트와 기계적 공진기의 결합이 실제 양자 연산에 활용 가능함을 처음으로 실험적으로 입증했다. 검증에 사용된 양자 푸리에 변환과 주기 탐색은 쇼어 알고리즘 등 핵심 양자 알고리즘의 기반이 되는 연산으로, 다수의 양자 상태를 동시에 제어하고 결맞음 있게 연결해야 실행 가능하다. 연구팀은 이번 시스템이 임의의 양자 연산을 수행하는 데 필요한 모든 기본 계산 단계를 원리적으로 실행할 수 있음을 보였다. 칩의 크기는 길이 7.5mm, 폭 2.5mm, 높이 1mm로 손톱 너비와 비슷한 수준이다.

현재 위치와 향후 과제

이번 성과는 가능성의 증명(proof of principle)에 해당한다. 연구팀은 기계적 공진기 기반 메모리가 전자기 방식을 대체할 유망한 후보임을 보였으나, 실제 연구·산업용 양자 컴퓨터로 발전하기까지는 확장성 검증이라는 과제가 남아 있다. Chu 연구팀은 이 방향의 연구를 계속 진행 중이다.