Microsoft Majorana 2, 납 기반 소재로 위상 큐비트 수명 1,000배 향상

소재 교체가 이끈 성능 도약

Majorana 2의 핵심 변화는 소재 스택의 전면 재설계다. 전작 Majorana 1에서 초전도체로 사용하던 알루미늄이 납으로 교체됐고, 반도체 활성 영역도 인듐비소(InAs)와 인듐비소안티몬(InAsSb)의 복합 구조로 변경됐다. 이 소재 변경은 위상 갭(topological gap)을 전작 대비 2배 이상 확대시켰다. 위상 갭은 외부 환경 노이즈와 오류로부터 큐비트를 보호하는 에너지 장벽에 해당한다.

성능 개선이 가장 두드러진 부분은 큐비트 수명이다. Majorana 1에서 1~12밀리초 수준이던 수명이 Majorana 2에서는 평균 20초를 넘어섰고, 일부 사례에서는 1분을 초과했다. 연산 속도는 마이크로초 단위를 유지하며, 수명과 속도 간 균형에서 의미 있는 개선이 이루어졌다. 이번 소재 스택 설계에는 AI가 활용됐으며, 개발 주기 단축에 기여한 것으로 알려졌다.

테트론 구조와 마요라나 영 모드

Majorana 2의 큐비트 단위는 테트론(tetron)이다. 테트론은 두 초전도 나노와이어로 구성되며, 각 나노와이어 끝단에 마요라나 영 모드(Majorana Zero Mode, MZM)가 형성된다. 양자 정보는 위상도체 나노와이어 내 전자 수의 홀짝성(패리티)을 통해 저장된다. 정보를 비국소적으로 분산 저장하는 이 방식은 구조적으로 외부 교란에 강한 특성을 부여한다. 논문에서는 4-큐비트 배열을 구성해 소재 변경 효과를 시연했다.

측정 기반 디지털 연산과 오류 정정

위상 양자 컴퓨팅에서 기본 연산은 측정을 통해 수행된다. 위상도체 나노와이어의 패리티를 측정하면 0 또는 1의 값이 산출되고, 이를 통해 큐비트 상태를 단일 샷(single shot)으로 판독할 수 있다. 양자 점(quantum dot)을 나노와이어에 연결하거나 분리하는 디지털 펄스로 측정 여부를 제어하며, 두 큐비트의 공동 패리티 측정도 지원된다. 이 측정 기반 구조는 양자 오류 정정을 구현하는 데 적합하며, 내결함성 양자컴퓨팅의 핵심 요건 중 하나를 충족한다. 연산 시퀀스는 이러한 측정들과 매직 스테이트 준비 연산의 조합으로 구성된다.

DARPA US2QC 프로그램 최종 단계 진입

DARPA의 US2QC(Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing) 프로그램은 고전 컴퓨터의 능력을 초월하는 문제를 해결할 수 있는 양자 시스템을 엄격하게 평가하는 프로그램이다. Microsoft는 이 프로그램의 최종 단계에 진입한 두 기업 중 하나이며, DARPA와 내결함성 프로토타입 구축을 위한 협약을 체결했다. 검증에는 DARPA 외에도 공군연구소(AFRL), Johns Hopkins 대학 응용물리연구소, Los Alamos·Oak Ridge·Lawrence Berkeley·Lawrence Livermore 국립연구소 등이 참여하고 있으며, 향후 더 많은 기관이 합류할 예정이다.

2029년 로드맵: 기대와 과제

이번 성과를 바탕으로 Microsoft는 실용 규모 양자컴퓨터 달성 로드맵을 기존 대비 절반으로 단축해 2029년을 목표로 제시했다. 다만 현재 Majorana 2는 4-큐비트 배열 수준의 시연에 그쳐 있으며, 2029년 목표 달성을 위해서는 논리 큐비트 확장, 매직 스테이트 증류, 전체 시스템 통합 등 상당한 공학적 과제가 남아 있다. 위상 큐비트가 고유한 오류 억제 메커니즘을 내재한다는 점은 장기 확장성 측면에서 긍정적으로 평가되지만, 목표 시점까지의 실현 가능성은 계속적인 검증이 필요하다.