Photonic, 통신 파장대 실리콘 스핀 큐비트 분산 얽힘 실증

협력 배경과 성과 개요

마이크로소프트와 Photonic은 2023년 11월 양자 네트워킹·컴퓨팅 공동 연구 협약을 맺고 세 가지 단계별 목표를 설정했다. 이번 발표는 그 첫 번째 목표를 달성했다는 내용으로, 두 개의 별도 장치 사이에서 광자를 매개로 양자 정보를 전달하고 원격 논리 게이트를 작동시킨 결과물이다. 협약 체결로부터 약 6개월이 경과한 시점에 이뤄진 성과다.

Photonic의 스핀-광자 아키텍처

Photonic의 기술적 차별점은 실리콘 스핀 큐비트와 광자를 결합한 스핀-광자 인터페이스에 있다. 실리콘 스핀 큐비트는 정보 저장·처리 역할을 맡고, 광자는 정보 전송을 담당한다. 이 시스템은 통신 표준 O-밴드 파장대에서 자체적으로 구동되도록 설계되어 있어, 기존 전 세계 광섬유 인프라를 별도 개조 없이 활용할 수 있다는 것이 가장 큰 강점으로 꼽힌다.

3단계 연속 실증 실험

이번 분산 얽힘 실증은 이전 단계의 결과를 토대로 순차적으로 진행된 세 가지 실험으로 구성됐다. 첫째, 광섬유를 통과한 광자들의 구별 불가능성(indistinguishability)을 검증했다. 둘째, 해당 광자들과 실리콘 스핀 큐비트 간 얽힘 생성에 성공했다. 셋째, 40미터 광섬유 케이블로 연결된 두 개의 별도 극저온기(cryostat)에 각각 위치한 큐비트 사이에서 원격 텔레포트 CNOT 게이트를 실행했다. CNOT 게이트는 제어 큐비트의 상태에 따라 표적 큐비트의 상태를 조작하는 두 큐비트 기본 논리 연산이다.

양자 네트워킹 단계별 로드맵과 현재 위치

이번 성과는 양자 네트워킹 1단계, 즉 두 양자 장치 간 점대점(point-to-point) 얽힘 분산에 해당한다. 2단계에서는 얽힘 분산의 품질을 높이고 연결 노드를 추가하는 것이 목표이며, 3단계에서는 진정한 의미의 장거리 양자 인터넷 구현을 지향한다. 다만 현재 실증 거리가 40미터에 그치는 만큼, 도심 간·대륙 간 규모의 네트워크로 확장하기까지는 상당한 기술적 과제가 남아 있다. 양자 네트워킹은 기존 클래식 네트워크를 대체하는 것이 아니라 그 기능을 보완·확장하는 방향으로 발전할 것으로 양사는 설명한다.

Azure 통합 계획과 응용 전망

마이크로소프트는 Photonic의 하드웨어를 Azure Quantum Elements 플랫폼을 통해 고객에게 제공하는 방안을 추진 중이다. 잠재적 응용 분야로는 암호화 키의 안전한 장거리 분산, 신뢰성 높은 양자 네트워크 구축, 그리고 분산 양자 컴퓨팅 등이 제시됐다. 분산 양자 컴퓨팅은 여러 양자 컴퓨터에 대규모 얽힘을 분배해 단일 장치의 한계를 넘는 계산을 수행하는 방식으로, 양자 컴퓨팅 스케일업의 핵심 경로 중 하나로 주목받고 있다.