양자컴퓨터는 완전히 새로운 방식의 컴퓨터다. 양자적 현상을 활용하여 연산을 한다는 것이 그 기본 원리이다. 양자적 현상을 역학적으로 분석하는 ‘양자역학’이라는 학문의 어려움 때문에 양자컴퓨터에 대해 대부분의 사람들은 단순히 병렬성만 생각한다. 0과 1의 중첩. 나는 양자 이득(advantage)을 미래 산업의 주축을 이루게 될 미래로 보았고, 이에 따라 구현 방식에 대해 공부하고 설명할 것이다. 나의 노션 페이지 QC는 그런 내용을 담고 있다.

Quantum Computer(QC) Trapped Ion Quantum Computer(TIQC)

양자컴퓨터를 구현하는 여러 방식이 있다. Trapped Ion QC, Neutral Atom QC, Superconducting QC, Topological QC, Photonic QC, Quantum dots QC, NMR QC. 나름대로 비교해본 결과 TIQC와 Neutral Atom QC, Photonic QC, Topological QC가 가장 유력하다는 것을 알았다. 나는 특별히 TIQC와 Topological QC를 자세히 살펴보았다. Topological QC는 위상학적 상태를 computing의 basis로 삼는다. 위상학적 상태를 나타내는 것이 노이즈에 굉장히 강하여서 가능만 하다면 빠른 속도로 성장할 것이 분명하다. 문제는 이런 위상학적 양자컴퓨터 연구가 너무 더디다는 것이다. 2024년에 Microsoft는 Majorana1을 공개했으며, 2026년에 Majorana2를 공개하였고, 아직 굉장히 적은 숫자에 gate operation에 대한 증명 혹은 공개도 없다. 반면 TIQC는 진작에 30개 넘는 큐빗을 구현했으며, trapping 자체는 1차원 배열에서도 100개도 넘고, 가장 긴 coherence time(결맞음 시간)은 10hours가 넘는다. 이런 큰 배열에는 Neutral Atom QC가 가장 큰 장점이 있다. 이유로는 그냥 optical tweezer로 하나하나 잡아넣기만 하면 되기 때문이다. Neutral Atom QC는 scaling(크기)에는 장점이 있지만 신뢰도(fidelity)에 문제가 있다. 서로 멀리 떨어진 Neutral Atom 사이의 연산은 가능은 하지만 비효율적이다. 100개가 넘는 qubits에 서로 하나하나 모두 연결시켜놓는 setup을 구현하기에는 비효율적이다. drive 혹은 shuttle이라고 하는 기술을 통해 계산에 포함시키고자 하는 atom을 gate zone으로 옮겨놓는다. gate zone에 있는 atom끼리는 연산하는데 아무런 문제가 없다. 다만 아직 fidelity가 너무 낮다. fidelity of 2 qubits gate is 99.7% 라고 보면 된다.

TIQC는 fidelity에 있어서 가장 큰 강자다. 2Q(qubits) gate에서 진작에 99.9%를 달성했으며, Oxford Ioncs는 2025년도에 2Q fidelity 99.99%를 달성했다. 다만 문제는 크기를 키우고 속도를 향상시키는 데 있다. 방법으로 Quantinuum 진영에서 주독적으로 진행한 QCCD와 IonQ 진영에서 주도적으로 진행한 photonic interconnection이 있고, 속도를 향상시키는 데에는 Oxford Ionics의 microwave gate가 어느 정도 진전을 주었다. 다만 Neutral Atom QC와 동일한 문제에 직면하고 있는 부분들이 있어서 두 기술 중 어느 것이 더 좋을 지에 대해 확언을 하기는 어려운 상황이다.

이런 배경에서 나는 IonQ의 scaling roadmap에 주목했다.

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IonQ는 100q의 ‘tempo’를 만들었다. 이를 기반으로 256q의 칩도 이미 만든 상태이다(26 July 2026). Oxford Ionics의 기술을 통해 내년에 10,000q을 확실히 달성할 수 있다고 vice president of IonQ는 Quantum Korea 2026에서 발표했다. 나는 이 부분에 집중했다.

속도는 빨라지지 못하여도 크기를 늘리는 부분에서 확실한 강자의 자리를 지킨다면 breaking RSA2048을 가장 빨리 이뤄내지 않을까?

대한민국은 양자컴퓨터 생태계에서 굉장히 애매한 포지션이다. 안하는 것도 아니고, 그렇다고 성과는 없고. 서울대학교 컴퓨터공학과 김태현 교수님은 양자컴퓨터 칩 설계 및 제조에 집중하시기로 한 것 같다. 기술 확보와 칩 설계 및 제조는 다른 영역이니, SAMSUNG, SK hynix 이외의 많은 반도체 회사들이 갖고 있는 장점을 살린다면 충분히 해당 분야의 한 자리를 차지할 수 있을 것 같다.

Neutral Atom QC에 대해서 최근의 가장 큰 뉴스는 Google Quantum AI가 기존 초전도컴퓨터를 이어가며 중성원자 컴퓨터를 병행하겠다고 한 발표이다. 중성원자 진영은 요즘 high fidelity를 physical qubit으로 이뤄내지 못하니, 어차피 못할 거 임계점만 넘기고 그냥 Quantum Error Correction을 통해 high-fidelity logical qubits을 만들어 가겠다는 스탠스를 취하고 있다.

TIQC는 두 개의 회사가 있다. IonQ와 Quantinuum. Neutal Atom QC는 네 개의 회사가 있다. QuEra, Atom computing, Infleqtion, Pasqal. Topological QC는 Microsoft이 유일한 기업으로 Station Q라는 그룹을 통해 연구하고 있다.

소프트웨어 분야에서는 많은 연구가 이뤄지고 있긴 하지만 아직 아주 강력한 진전이 나오지 않은 상태이다. Shor’s Factoring algorithm, Grover’s Search algorithm를 제외하면 QAOA, VQE, QSVT 등 많은 분야가 분투 중이다. 특히 미분방정식에 대한 approximation이 가능하다면, 그리고 효율이 뛰어나다면 굉장한 도움이 되지 않을까 싶다.

원점으로 돌아가서, 양자컴퓨터에게 우리가 기대하는 것은 단순히 병렬성(Parallelism)만이 아니다. 기존 반도체가 보이는 물리적 크기 한계, 전력 효율 또한 함께 개선되길 바란다.

궁금한 것이 있거나, 노션 페이지에 문제가 있다면 아래 메일로 알려주시면 감사하겠습니다. [email protected]

reference

[2607.19017] Bound Entanglement Is Insufficient for an Exponential Quantum Learning Advantage

IonQ | IonQ's Accelerated Roadmap: Turning Quantum Ambition into Reality