지식보관소_ 양자컴퓨터가 성능이 높아지기 힘들었던 이유와 이를 해결할 방법(2020. 7. 26.)

 

 

최근 2021년까지 7나노미터 공정을 하겠다던 인텔이

7나노미터 공정의 생산 시기를 6개월 연기했는데요.

매년 2배 이상씩 반도체의 성능이 향상되던 이야기는

이제 옛말이 되었습니다.

 

요즘의 트랜지스터는 너무나도 작아져서

더 줄이기가 힘든 단계에 도달을 했고

더 줄이면 양자터널 현상까지 발생을 합니다.

 

물론 파운더리 업체인 대만의 TSMC나 삼성전자의 경우

차후에 3나노미터의 공정까지 계획을 하고 있지만

반도체 미세 크기의 한계는 곧 올 수밖에 없습니다.

 

왜냐면 다들 아시다시피

우주에서 가장 작은 원자인

수소 원자의 1개 크기도 약 0.025나노미터이고

반도체의 재료인 규소

즉 실리콘의 크기도 0.1나노미터가 넘는 크기인 것을 생각을 하면

미세 공정의 단계는

거의 원자 크기에 가까워져 와 있기 때문이죠.

 

따라서 이런 한계를 극복하고 더 성능을 높이기 위해서는

완전히 새로운 기술이 필요한 시점이 다가오고 있습니다.

 

 

현재 트랜지스터 기반의 반도체는

3나노미터 이하의 공정부터는

더 줄이기가 정말로 힘들어질 것으로 생각이 됩니다.

 

사실 이 문제는 트랜지스터 기반 반도체가

양산되기 시작하던 수십 년 전부터 고민하던 문제였는데

당시에는 인류가

이 정도의 미세 공정에 도달하는 게 가능할지조차 몰랐죠.

 

양자물리학의 양자중첩의 원리를 이용해 동작하는 컴퓨터

일명 양자컴퓨터는

과학자들이 수십 년 전부터

트랜지스터의 집적도가 더 올라갈 수 없을 때

발전 방향으로 생각한 대안이었죠.

 

최근 들어 공상과학과 마찬가지던

양자컴퓨터의 소식이 들려오고 있는데

실제로는 굉장히 문제가 많습니다.

 

현재 초전도체 기반의 양자컴퓨터가

양자중첩을 가지기 위해서는

절대 영도에 굉장히 가까운 온도에서 동작해야 하는데

그 제한 범위는 최소 0.1캘빈 이하이기 때문입니다.

 

고작 0.1도 정도의 열에너지만 존재해도

이로 인해 양자 중첩이 깨져버리기 때문이죠.

 

그러니까 절대영도에서 고작 0.1도만 온도가 올라가도

양자컴퓨터가 동작을 할 수가 없다라는 의미이며,

양자컴퓨터의 성능을 더 높이기 힘든

굉장히 중요한 요인 중에 하나입니다.

 

0.1캘빈은 섭씨 –273.05°C로

이런 온도를 유지하는 것 자체가 굉장히 어렵고

어마어마한 전력이 사용됩니다.

 

그리고 큐비트가 많아지면 이로 인해서 열이 발생하게 되므로

0.1캘빈 이하의 온도를 유지하는 건 불가능합니다.

 

때문에 최초로 슈퍼컴퓨터의 성능을 넘었다고 평가가 되던

구글의 시커모어 또한

53큐비트로 이루어진 양자컴퓨터였던 것이죠.

 

시커모어도 53개의 큐비트를 정상 동작시키기 위해서

결국 어마어마하게 거대한 설비와

어마어마한 전력이 필요했다고 합니다.

결국 더 많은 큐비트를 사용하고

더 빠른 연산 속도를 지닌 양자컴퓨터를 만들기 위해서는

조금이라도 더 높은 온도에서

큐비트가 정상 동작하도록 하는 것이 굉장히 중요하죠.

 

2020년 4월, 사우스 웨이즈 대학의 연구팀은

퀀텀 닷에 큐비트를 사용해서

실리콘 퀀텀 프로세스를 만드는 방법을 제안했습니다.

 

연구팀은 간단하게 2개의 큐비트를 가지고 실험했는데

무려 1.5캘빈의 온도에서도 양자중첩을 유지할 수가 있었다고 합니다.

 

여기에서 ‘겨우 1.5캘빈 정도면 섭씨 –271.65°C라서

여전히 절대 영도에 가까운 온도인데

대체 이게 뭔 차이냐’라고 생각을 하실지도 모르지만

이 정도면 거의 하늘과 땅 차이입니다.

 

왜냐하면 우리 기준에서 -273도나 -271도나

거기에서 거기로 보이겠지만

실제로는 기존보다 15배나 높은 온도에서도 양자중첩이 가능했다는 것이고,

이 이야기는 현재보다 15배 이상 성능이 뛰어난

큐비트를 만들 수가 있다라는 것이고

거기에다가 1.5캘빈을 유지하는 것과 0.1캘빈을 유지하는 것은

어마어마한 차이가 있기 때문이죠.

 

예를 들어 순금을 만들 때

99.99% 순도의 금이나 99.999% 순도의 금이나

둘 다 거의 100%라서 의미가 없어 보이겠지만

기술적으로는 하늘과 땅 차이가 있는 것처럼

0.1켈빈과 1.5캘빈을 유지하는 것 사이에는

엄청난 차이가 있기 때문입니다.

 

그리고 구글의 시커모어는 0.1캘빈을 유지하는 것이 쉽지 않아서

실제 상업용으로 사용되는 건 불가능할 정도의

실험적인 구현이었다면

가동 온도를 1.5캘빈 정도 더 높일 수가 있다면

상업용으로 사용될 가능성도 높아지는 것이죠.

 

물론 2014년에 D-Wave가

이미 최초로 양자컴퓨터를 상용화한 거 아니냐고 얘기할 수도 있어서

분명히 얘기를 드리는데

제가 말하는 건 양자컴퓨터를 흉내낸 컴퓨터 말고

진짜 양자중첩의 원리로 동작하는 그런 양자컴퓨터를 말하는 것입니다.

 

아무튼 현재 트랜지스터의 크기가 한계에 온 만큼

앞으로도 양자역학의 중요성은

점점 더 높아질 것으로 생각이 됩니다.

그럼 이만.