진행 중인 양자 컴퓨팅 로드맵 시리즈의 이번 회차에서는 2025년과 2026년 초에 가장 눈에 띄는 기술적 진보를 이룬 분야인 중성 원자 (neutral atom) 양자 컴퓨팅을 다룹니다. IBM과 Google을 통한 초전도 큐비트 (superconducting qubits), 그리고 IonQ와 Quantinuum을 통한 포획 이온 (trapped-ion) 큐비트를 다루었던 1부를 반드시 확인하시기 바랍니다. 2부에서는 Xanadu의 연속 변수 (continuous-variable) 접근 방식과 PsiQuantum의 실리콘 광학 (silicon-photonic) 아키텍처를 통해 양자 광학 (quantum photonics)을 살펴보았습니다.

이전 시리즈와 마찬가지로, 본 내용은 기술적인 심층 분석이라기보다는 기술 및 로드맵 분석에 가깝습니다. 중성 원자가 왜 최근 과학계와 주요 산업계의 관심을 사로잡았는지 이해할 수 있는 충분한 맥락을 제공한 후, 이 분야의 핵심 기업 3곳인 QuEra, Atom Computing, Pasqal이 무엇을 구축하고 계획하고 있는지 살펴보겠습니다.

중성 원자 양자 컴퓨팅이란 무엇인가?

초전도 큐비트가 칩 위의 설계된 조셉슨 접합 (Josephson junctions)을 통해 양자 시스템을 구축하고, 포획 이온이 전자기장을 사용하여 진공 상태에서 개별 원자를 공중에 띄우는 것과 달리, 중성 원자 양자 컴퓨팅은 광학 집게 (optical tweezers)라고 불리는 정밀하게 집중된 레이저 빔을 사용하여 개별 중성 원자를 정밀하게 제어된 공간 배치로 포획합니다.

포획된 각 원자는 큐비트 (qubit) 역할을 합니다. 정보는 원자의 내부 전자 상태 (internal electronic states)에 인코딩되며, 큐비트 간의 연산은 원자를 이른바 리드베리 상태 (Rydberg states)로 짧게 들뜨게 함으로써 수행됩니다 (이는 2-큐비트 논리 게이트를 위한 중성 원자 메커니즘입니다). 리드베리 상태는 전자가 핵에서 멀리 떨어져 있는 고에너지 오비탈 (high-energy orbitals)로, 트리거가 작동할 때 인접한 원자들 사이의 장거리 상호작용 (long-range interactions)을 가능하게 합니다. 리드베리 들뜸 (Rydberg excitation)을 켜고 끄는 것은 기능적인 측면에서 논리 게이트 (logic gate)의 양자적 아날로그와 같습니다. 레이저를 켜면 상호작용이 발생하고, 레이저를 끄면 원자들은 격리된 조용한 안정 상태로 돌아갑니다.

운영 중에 원자들은 마이크로켈빈 (microkelvin) 온도로 레이저 냉각 (laser-cooled)되지만, 칩 전체와 대부분의 주변 하드웨어를 약 10-20 밀리켈빈 (millikelvin)까지 냉각해야 하는 초전도 시스템 (superconducting systems)과는 달리, 주변 하드웨어는 상온 근처에서 작동합니다. 냉각 인프라는 실험실을 가득 채우는 희석 냉동기 (dilution refrigerator) 대신 진공 챔버 (vacuum chamber)와 광학 부품 (optical components)으로 제한됩니다.

핵심 양자 하드웨어는 단독으로는 과학 실험 장비 정도의 크기인 진공 셀 (vacuum cell)입니다. 이는 광학 트위저 (optical tweezers)로 둘러싸인 원자 어레이 (atom array)를 수용하는 작은 유리 챔버입니다. Pasqal은 전체 시스템 전력 소비량이 4킬로와트 (4 kilowatts)라고 구체적으로 언급했는데, 이는 표준 서버 랙 할당량 안에 충분히 들어갈 수 있는 수치입니다.

QuEra Logo on a computer

(이미지 출처: QuEra)

중성 원자 시스템은 여러 파장에 걸친 매우 안정적인 레이저 광원, 개별 트위저 빔을 조종하기 위한 정밀한 공간 광 변조기 (spatial light modulators) 또는 음향 광학 편향기 (acousto-optic deflectors), 원자 판독 (atom readout)을 위한 고해상도 카메라, 그리고 계산 중에 실시간 피드백 루프 (real-time feedback loops)를 실행할 수 있을 만큼 충분히 빠른 클래식 제어 전자 장치 (classical control electronics)를 필요로 합니다. 현대적인 중성 원자 시스템을 위한 레이저 스택 (laser stack)은 상당한 규모입니다. 이는 극저온 공학 (cryogenic engineering)과는 다른 종류의 난제이지만, 전문적인 기술 지식을 요구한다는 점에서는 마찬가지입니다.

대부분의 중성 원자 기업들 — QuEra, Pasqal, 그리고 Infleqtion(여기서는 다루지 않는 네 번째 플레이어) — 은 루비듐-87(rubidium-87)을 큐비트 원자로 사용합니다. 루비듐은 이미 잘 닦인 길입니다: 루비듐의 레이저 냉각(laser-cooling) 요구 사항은 잘 알려져 있으며, 필요한 레이저 파장(wavelength)은 성숙한 상용 제품 범위 내에 있습니다. 또한 수십 년간의 원자 물리학 연구를 통해 루비듐을 중심으로 한 기술 및 도구의 깊은 생태계가 형성되어 있습니다.

큐비트는 루비듐의 초미세 상태(hyperfine states) — 바닥 상태(ground state) 내에서 6.8 GHz 마이크로파 전이(microwave transition)로 분리된 두 개의 특정 에너지 준위 — 에 인코딩됩니다. 이는 원자 시계(atomic clocks)에서 사용되는 것과 동일한 전이이며, 이로 인해 초(second) 단위 범위에서 매우 뛰어난 안정성과 결맞음(coherence)을 가집니다.

Atom Computing은 더 어려운 길을 선택했습니다: 바로 스트론튬(strontium) 원자입니다. 스트론튬의 큐비트 전이는 루비듐의 전자 기반 초미세 상태보다 환경의 자기장 변동(magnetic field fluctuations)에 더 약하게 결합되어 있습니다. 자기장 노이즈는 루비듐 큐비트에서 결맞음을 해치는 주요 요인 중 하나라는 점에서 이는 기술적으로 매우 중요한 의미를 갖습니다. 하지만 이러한 이점에는 대가가 따릅니다. 알칼리 토금속 원자(Alkaline earth atoms)는 자외선(ultraviolet) 레이저 광원을 포함하여 더 복잡한 다파장 레이저 시스템을 필요로 하며, 특정 큐비트 전이를 격리하는 데 필요한 제어 기술 또한 기술적으로 더 까다롭습니다. 루비듐의 초 단위 결맞음과 비교했을 때, 스트론튬 기반 플랫폼에서는 최대 수십 초에 달하는 결맞음 시간이 입증되었으며, 이는 심층 회로(deep circuits) 구현을 위한 실질적인 이점입니다.

왜 Atom Computing뿐인가요? 그 답의 일부는 전문성에 있습니다. CEO이자 설립자인 Ben Bloom 박사는 스트론튬(strontium)이 잘 발달된 도구로 사용되는 NIST 및 JILA 광학 원자 시계(optical atomic clock) 커뮤니티 출신입니다. 연구 기반은 이미 갖춰져 있었습니다. 중성 원자 컴퓨터를 구축하는 대부분의 팀에게 루비듐(rubidium)은 더 빠르고 오버헤드(overhead)가 낮은 선택지입니다. 이미 관련 전문성을 갖추고 있지 않는 한, 스트론튬을 통해 얻는 미미한 결맞음(coherence) 개선은 추가적인 레이저 복잡성을 정당화하지 못합니다. 이는 양자 컴퓨팅의 더 넓은 패턴을 보여주는 선택입니다. 즉, 최적의 큐비트(qubit) 기술은 보편적이지 않으며, 팀이 무엇을 구축하고 유지 관리할 수 있는지에 따라 상대적이라는 점입니다.

중성 원자 양자 컴퓨팅의 장점, 과제 및 메커니즘

중성 원자 시스템은 다른 방식(modalities)에서는 복제하기 어려운 두 가지 구조적 장점을 가지고 있습니다.

첫 번째는 원자의 동일성(atomic identity)입니다. 물리학 법칙에 따라 모든 루비듐-87(rubidium-87) 원자는 다른 모든 루비듐-87 원자와 동일합니다. 초전도 큐비트(superconducting qubits)는 개별 제조 결함이 있는 제조 장치이므로, 일관된 성능을 달성하기 위해 큐비트당 보정(per-qubit calibration)이 필요합니다. 중성 원자는 그러한 과정이 필요하지 않습니다. 균일성(uniformity)은 공학적 성취라기보다 물리학적 보장입니다.

두 번째는 재구성 가능성 (reconfigurability)입니다. 큐비트 연결성 (connectivity)이 제조 시점의 물리적 배선에 의해 결정되어 변경할 수 없는 초전도 칩 (superconducting chips)과 달리, 중성 원자 어레이 (neutral atom arrays)는 계산 중간에 동적으로 재프로그래밍될 수 있습니다. 원자들은 어레이의 한 영역에서 다른 영역으로 물리적으로 이동할 수 있으며, 게이트 연산 (gate operations)을 위해 근접하게 배치되었다가 이후 다시 격리된 저장 공간으로 돌아갈 수 있습니다. 프로세서의 연결성은 하드웨어에 고정된 것이 아니라 소프트웨어로 정의됩니다 (software-defined): 즉, 어떤 큐비트든 다른 어떤 큐비트와도 상호작용할 수 있습니다. 이 '양자 로드맵 (Quantum Roadmaps)' 시리즈의 1부를 읽은 독자라면 이러한 구도를 알아차릴 것입니다. 이는 우리가 초전도 아키텍처 (superconducting architectures)에서 언급했던 상호 연결성 제약에 대한 구조적 해답입니다. 초전도 방식에서는 인접하지 않은 큐비트 사이에 게이트를 라우팅하려면 중간 큐비트들을 거쳐야만 합니다 (각 단계마다 오류 가능성이 추가됨). 반면 여기서는 큐비트가 연산 장치로 직접 이동합니다.

An IBM researcher holding a 300mm IBM Quantum Loon wafer

(이미지 출처: IBM)

위에서 설명한 재구성 가능성은 현대의 게이트 기반 (gate-based) 중성 원자 프로세서가 이른바 구역화된 아키텍처 (zoned architecture)를 구현한 결과이며, 이는 원자 어레이를 세 개의 뚜렷하게 기능적인 영역으로 분할합니다.

**저장 구역 (Storage zones)**은 현재 연산 중이지 않은 원자들을 보관합니다. 중성 원자는 의도적으로 가까이 가져가지 않는 한 서로 상호작용하지 않기 때문에, 저장 구역에 있는 원자들은 격리된 상태를 유지합니다.

**얽힘 구역 (Entangling zones)**은 선택된 원자들이 근접하게 이동하고, 리드베리 들뜸 (Rydberg excitation)이 활성화되며, 2-큐비트 게이트 (two-qubit gates)가 수행되는 영역입니다. 공간적으로 간섭하지 않는 한, 어레이의 서로 다른 부분에서 여러 얽힘 연산이 동시에 진행될 수 있습니다. 이는 서로 다른 차선에서 병렬로 게이트를 실행하는 것과 같습니다.

**판독 구역 (Readout zones)**은 오류 수정 (Error correction)의 중추인 보조 큐비트 (Ancilla qubits)를 광학 형광 (Optical fluorescence)을 사용하여 측정하는 격리된 영역으로, 저장 및 얽힘 구역 (Storage and entangling zones)에 있는 원자들을 방해하지 않고 수행됩니다.

이러한 공간적 분리는 중간 회로 측정 (Mid-circuit measurement)을 실용적으로 만드는 핵심 요소입니다. 즉, 어레이의 한 영역을 조사하는 동안 나머지 연산은 방해받지 않고 계속 진행됩니다. 이러한 측정은 연산 과정 전반에 걸쳐 반복적으로 수행되어 실시간으로 오류를 상쇄하며, 계산하려는 양자 상태 (Quantum state)의 안정성을 유지하는 데 도움을 줍니다. 이는 아키텍처 측면에서 결코 사소하지 않은 성취입니다.

중성 원자 양자 컴퓨팅의 주요 과제 중 하나는 원자 손실 (Atom loss)과 관련이 있습니다. 중성 원자는 집속된 레이저 빔에 의해 트위저 트랩 (Tweezer traps)에 갇혀 있습니다. 만약 떠돌이 가스 분자가 진공 상태로 흘러 들어와 갇혀 있는 원자와 충돌하거나 (또는 열 에너지 변동이 충분히 커지면), 원자가 충분한 운동 에너지를 흡수하여 진공 챔버 안으로 떠내려갈 수 있습니다. 그렇게 되면 원자는, 그리고 그 안에 인코딩되어 있던 양자 상태는 그대로 사라져 버립니다.

이를 소거 오류 (Erasure error)라고 부릅니다. 원자 전체의 손실은 수행하려는 모든 양자 연산에 극적으로 큰 영향을 미치는 것처럼 들릴 수 있지만, 실제로는 다른 대부분의 양자 오류보다 처리하기가 더 쉽습니다. 오류가 발생한 위치를 정확히 알 수 있기 때문입니다. 탐지 시스템이 어레이를 지속적으로 촬영하므로, 특정 위치에서 원자가 사라지면 즉시 플래그(Flag)가 지정됩니다. 오류 위치를 안다는 것은, 계산 체인 중간의 미묘하게 잘못된 값 때문에 전체 결과가 완전히 망가지는 것을 발견하는 대신, 칩에서 어떤 메모리 주소가 실패했는지 아는 것과 대략적으로 유사합니다.

이런 일이 발생하면, 저장소(reservoir)로부터 새로운 원자가 로드됩니다. 저장소는 메인 어레이(array) 인접한 곳에서 배경 원자들을 지속적으로 포획하고 냉각하는 자기 광학 트랩 (magneto-optical trap)입니다. 새로운 원자가 소실된 원자를 대체할 때, 이 원자는 이전 원자의 양자 상태에 대한 기억이 자연스럽게 없으며 본질적으로 백지 상태(전자 바닥 상태 (electronic ground state)라고 불림)입니다. 논리적 연산을 보존하는 것은 오류 수정 코드 (error-correcting code)입니다. 단일 논리 큐비트 (logical qubit)의 정보를 여러 물리 큐비트 (physical qubits)에 동시에 분산함으로써, 코드는 알려진 하나의 물리 큐비트 손실을 견뎌낼 수 있으며 남은 큐비트들로부터 논리적 상태를 재구성할 수 있습니다.

고전 컴퓨팅과의 비유를 들자면 아마도 ASIC 대 FPGA의 관계와 같습니다. 초전도 칩의 고정된 배선은 주문형 집적 회로 (ASIC, application-specific integrated circuit)와 같습니다. 설계된 작업에서는 높은 성능을 발휘하지만, 그 기능은 제조 시점에 결정됩니다. 중성 원자 어레이 (neutral atom array)의 소프트웨어 정의 연결성 (software-defined connectivity)은 필드 프로그래머블 게이트 어레이 (FPGA, field-programmable gate array)와 더 유사합니다. 개별 연산당 속도는 다소 느릴 수 있지만, ASIC의 아키텍처가 효율적으로 처리하도록 설계되지 않은 작업을 포함하여 작업이 요구하는 무엇이든 재구성할 수 있습니다.

고전 프로세서가 부분적으로 클록 속도 (clock speed)로 측정되는 반면, 양자 컴퓨팅의 처리 능력에 상응하는 지표는 두 가지 지표에 의해 결정됩니다: 결맞음 시간 (coherence times, 계산을 수행할 수 있는 시간 범위로, 중성 원자 양자 컴퓨팅에서는 수 초에 달함)과 게이트 속도 (gate speed, 개별 연산이 실행되는 속도)입니다. 이로 인해 중성 원자 솔루션은 트랩된 이온 (trapped ions, 수 초에서 수 분)과 초전도 큐비트 (superconducting qubits, 수백 마이크로초) 사이의 위치를 차지하게 됩니다.

위에서 설명한 장점들 사이에는 두 가지 미해결 공학적 과제가 균형을 이루고 있습니다. Rydberg 게이트 연산 (Rydberg gate operations)은 약 1~10 마이크로초(microseconds)에 실행되는데, 이는 초전도 게이트 (superconducting gates, 수십 나노초)보다는 느리며 포획 이온 (trapped ions)과 유사한 수준입니다. 수백만 번의 게이트 연산이 필요한 매우 깊은 회로 (deep circuits)의 경우, 이는 중요한 요소가 됩니다. 또한, 원자 손실 (atom loss)은 현재 보충 (replenishment)을 통해 관리 가능한 수준이지만, 보충된 큐비트가 진행 중인 오류 수정 계산 (error-correcting computation)에 재통합될 때 그 충실도 (fidelity)를 유지하는 것은 여전히 활발히 개선 중인 분야입니다.

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(이미지 출처: QuEra)