"삼성 2나노 공정으로 3년내 QPU 상용화....양자노트북 곧 볼 것"

"삼성전자 2나노 공정으로 3년내 금속-산화막-반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET) 기반 실용적인 양자컴퓨터용 프로세서(QPU) 제작이 가능하다." 한국전자통신연구원(ETRI) 출신인 김현탁 미국 윌리엄 앤 메리(W&M) 대학 연구교수가 내년 3월 18일 미국 덴버 코로라도 컨벤션센터에서 개최하는 미국물리학회 학술대회에서 이 같은 내용을 공개한다. 미국물리학회는 지난 주말 김현탁 연구교수의 '수백만 큐비트를 갖춘 실용적인 MOSFET 기반 양자컴퓨터'라는 제목의 연구논문 초록을 공개했다. 이 기술이 과학기술계서 검증되면 3~5년내에 양자 노트북이나 양자 스마트폰이 현실화될 수 있을 것으로 전망됐다. 김 교수는 "상온상압에서 에러없이 양자 알고리즘을 구동할 수 있는 MOSFET 큐비트 기반의 양자컴퓨터(QC)용 퀀텀 프로세서(QPU) 아키텍처를 내년 3월 세계 처음 공개할 예정"이라며 "이 아키텍처는 쇼어(Shor)의 소인수 분해 양자 알고리즘으로 N=15 문제를 풀어 가능성을 입증했다"고 말했다. MOSFET은 트랜지스터의 일종으로 스마트폰을 포함한 모든 종류의 컴퓨터에 이 방식이 쓰인다. 양자컴퓨터는 양자역학의 원리이자 특성인 중첩과 얽힘 현상을 이용해 복잡한 계산을 고전 컴퓨터보다 빠르게 수행할 수 있다. 실제 구글은 '105큐비트 윌로우 QPU로 슈퍼컴퓨터가 3.2년 걸릴 계산을 단 2시간만에 해결 했다고 발표했다. 양자컴퓨터는 또 암호해독, 인공지능, 신약개발, 금융과 같은 곳에서 제기된 최적화 문제뿐만 아니라 인공지능(AI) 기반 휴머노이드 로봇에도 적용할 수 있다. 하지만 이를 제대로 구현하기 위해선 해결해야 할 문제가 적지 않다. 초전도 방식은 초극저온에서 동작한다. 큐비트가 늘수록 배선 병목이 일어나기 쉽다. 오류정정도 풀어야 할 숙제다. 이온트랩 방식은 스케일링 확대가 어렵고, 중성원자는 오류정정 문제, 다이아몬드 NV 방식은 스핀 제어와 집적에서 병목현상이 일어난다. "MOSFET 큐비트는 에너지를 가하지 않아 중첩 붕괴도, 에러도 없어" 김현탁 연구교수는 "에너지를 가하지 않고도 중첩 가능한 MOSFET 기반 큐비트를 구현한 것"이라며 "MOSFET 큐비트는 에너지를 가하지 않았기 때문에 중첩의 붕괴가 없으며 에러가 없어 매우 신뢰도가 높다"고 설명했다. 김 교수는 "MOSFET 큐비트는 얽힘뿐만 아니라 여러 중요한 게이트인 인버터나 C-Not, 토폴리(Toffoli),스왑(Swap) 등도 가능하다"며 "필요한 모든 게이트를 만들 수 있다"고 부연 설명했다. 인버터는 0과 1 뒤집기, CNOT는 조건부 뒤집기, 토폴리는 두 조건이 참이면 뒤집기, 스왑은 두 큐비트 상태 자리 바꾸기다. 이는 양자컴퓨터 구성 플랫폼을 모두 갖춘 것을 의미한다. 김현탁 연구교수는 또 QPU의 가장 큰 특징 가운데 하나는 현재의 반도체 공정으로 100만 큐비트 이상도 실용화 수준으로 구현할 수 있다고 주장했다. 김 교수는 "삼성 2 나노 반도체 공정기술과 접목 가능하다. 1년 설계, 2년 제조 및 시험 기간을 합해 3년이면 QPU를 만들 수 있다. QPU가 만들어지면 양자 컴퓨터 구현은 어렵지 않다"며 "멀지않아 양자 노트북과 양자 스마트폰과 양자 휴머노이드 로봇 시대를 열 수 있다"고 강조했다. "상용화되면 소인수분해 이용하는 RSA 암호도 해독 가능해질 것" 이외에 김 연구교수는 양자컴퓨터가 상용화되면 현재 사용중인 큰 수의 소인수분해를 이용하는 RSA 암호(리베스트-샤미르-애들먼)도 해독 가능해진다고 덧붙였다. 김현탁 연구교수는 "인간이 손으로 계산할 수 있는 모든 계산은 컴퓨터도 할 수 있다"는 학계 격언을 비유로 들며 "이에 대한 대안으로 과학기술계가 수학기반 양자내성암호(PQC)를 개발 중이지만, 가까운 미래 암호 체계는 '수학 및 물리 기반'이 돼야 한다"고 주장했다. 한편 김현탁 교수는 한국전자통신연구원에서 금속-절연체 전이(MIT) 연구 프로젝트를 20년 수행하며, 물리학 미해결 난제인 모트 금속-절연체 전이 현상을 세계최초 실험적으로 규명했다. 2024년엔 상온초전도 연구 결과를 미국물리학회에 발표, 세계적으로 주목받았다. 지난 지난 2008년 ETRI MIT 연구팀을 주도하던 김 연구교수는 금속성분과 절연성분이 공존하는 중첩상태에서의 모트 금속-부도체 전이 현상(MIT)을 세계 최초로 밝혀냈다. 또 MIT 진동을 최초로 측정하고 그 진동이 약 30분정도 지속하는 '모트큐비트'를 만들어 2021년 미국물리학회에 발표하기도 했다. 그러나 당시 중첩이 감쇠돼 사라지는 현상 때문에 상용화로 이어지지는 못했다.