Microsoft, 위상 큐비트 기반 양자 프로세서 'Majorana 1' 공개

위상전도체: 이론에서 소재로

Majorana 1의 기반은 '위상전도체(topoconductor)'라는 신소재 체계다. 인듐 비소(반도체)와 알루미늄(초전도체)을 결합한 게이트 정의형 소자를 절대영도 근방까지 냉각하고 자기장으로 조율하면, 위상 초전도 나노선이 형성된다. 이 나노선 양 끝에 MZM이라는 준입자가 생성되는데, 약 100년간 이론으로만 존재하던 입자다. 양자 정보는 나노선 내 전자 수의 홀짝성(parity)으로 인코딩되며, MZM 쌍이 정보를 비국소적으로 분산 저장함으로써 외부 노이즈로부터 물리적으로 보호된다.

측정 기반 디지털 제어

기존 초전도 큐비트는 각 큐비트의 상태를 아날로그 신호로 정밀하게 회전시켜야 해 오류 정정 회로 구성이 복잡하다. Microsoft의 접근은 구조적으로 다르다. 양자점(quantum dot)을 디지털 스위치로 나노선에 연결하거나 분리한 뒤, 마이크로파 반사 측정으로 홀짝성을 읽어내는 방식이다. 측정 자체가 연산을 수행하므로 양자 오류 정정(QEC) 동작 전체를 단순한 디지털 펄스로 구동할 수 있다. 초기 단일 샷 판독 오류율은 1%로 보고됐으며, 쿠퍼 쌍 파괴에 의한 큐비트 상태 반전은 평균 1밀리초당 1회 수준으로 측정됐다.

테트론 아키텍처와 단계별 로드맵

Microsoft의 확장 아키텍처 핵심 단위는 '테트론(tetron)'이다. 두 위상 나노선을 평행 배치하고 초전도 와이어로 연결한 단일 큐비트 소자로, Station Q 회의에서 기본 동작이 시연됐다. Z 및 X 방향 파울리 측정을 각각 구현해 측정 기반 제어의 핵심 이정표를 달성했다고 밝혔다. 다음 단계는 4×2 테트론 배열로, 우선 2큐비트 서브셋으로 얽힘과 측정 기반 브레이딩 변환을 검증하고, 이후 8큐비트 전체를 이용해 논리 큐비트 2개의 오류 검출을 구현할 계획이다.

QEC 오버헤드 10분의 1, 한계는 여전히 존재

Microsoft는 자체 개발한 QEC 코드가 기존 최신 기법 대비 물리 큐비트 오버헤드를 약 10분의 1로 줄일 수 있다고 주장한다. 위상 큐비트의 하드웨어 단 보호 특성과 결합하면 더 적은 물리 큐비트로 동일한 논리 큐비트 품질을 구현하고 클록 속도도 향상할 수 있다는 논리다. 다만 현재 칩에 실제로 구현된 큐비트는 8개로, 목표치인 100만 큐비트와는 거리가 멀다. 오류 정정 임계값 실증, 다중 큐비트 배열 동작 안정성 등 다단계 공학적 검증이 남아 있다.

DARPA US2QC 최종 단계 진입

DARPA는 실용 규모 양자 컴퓨팅 평가 프로그램인 US2QC(Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing) 최종 단계 진입 기업으로 Microsoft를 선정했다. 이 프로그램에는 공군연구소, 존스홉킨스대 응용물리연구소, 로스알라모스국립연구소, 오크리지국립연구소, NASA 에임스연구센터 등 다수 기관이 검증에 참여한다. Microsoft는 수십 년이 아닌 수 년 내에 위상 큐비트 기반 결함 허용 프로토타입(FTP)을 구축하겠다는 목표를 제시했다.