마이크로소프트의 마요라나 1: '불가능한' 큐비트의 물리학

주요 내용

• “불가능한” 입자: Microsoft는 자연적으로 안정적인 큐비트를 생성하기 위해 자체 반입자인 준입자인 “Majorana Zero Mode”를 성공적으로 설계했습니다.
• 하드웨어 대 소프트웨어: Google과 같은 경쟁업체가 대규모 “소프트웨어” 오류 수정 계층을 구축하는 동안 Microsoft는 “하드웨어” 물리학에 직접 오류 보호 기능을 적용했습니다.
• 테트론: 새로운 큐비트 아키텍처는 입자의 상태뿐만 아니라 입자 이동의 이력에 정보가 저장되는 프로세스인 “브레이딩”을 허용하는 H 모양의 “테트론” 디자인을 사용합니다.
• 중요한 이유: 이것이 확장되면 NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum) 시대를 완전히 건너뛰고 내결함성으로 바로 이동할 수 있습니다.

지난 10년 동안 양자 컴퓨팅 경쟁은 무차별 대입 게임이었습니다. Google 및 IBM과 같은 회사는 불행하게도 외부 세계를 두려워하는 놀라운 기술인 초전도 트랜스몬 큐비트를 구축해 왔습니다. 길을 잃은 광자, 열 변동 또는 우주선으로 인해 “결맞음”이 발생하여 계산이 중단될 수 있습니다.

그들의 해결책은 무엇입니까? 양자 오류 수정(QEC). 단일 “논리적” 큐비트에 대한 경호원 역할을 하기 위해 수천 개의 “물리적” 큐비트로 거대한 칩을 구축하세요. 작동하지만 비효율적입니다. 이는 카드 놀이로 성을 쌓고 천 명을 고용하여 바람에 성을 버티게 하는 것과 같습니다.

2025년 2월 19일, 마이크로소프트는 판을 뒤집었습니다.

Majorana 1 칩의 출시로 Microsoft는 카드를 보류하려고 하지 않습니다. 그들은 그것들을 서로 붙였습니다. 그들은 “위상적 초전도성”으로 알려진 물질의 새로운 상태를 활용하여 소음에 무관한 큐비트를 만들었습니다.

다음은 “불가능한” 큐비트의 물리학에 대한 심층 분석과 2025년이 Quantum이 차선을 변경한 해로 기억될 수 있는 이유입니다.

배경: 긴 도박

Microsoft는 몇 년 동안 이상한 회사였습니다. IBM은 클라우드를 통해 액세스할 수 있었고 Google은 “양자 우위”를 주장했지만 Microsoft는… 이론을 가지고 있었습니다.

그들은 토폴로지 양자 컴퓨팅에 투자했습니다. 이는 자신이 반입자인 입자를 예측한 1937년 에토레 마요라나(Ettore Majorana)의 이론적 연구에 기초한 고위험, 고수익 전략이었습니다.

표준 큐비트의 문제점

표준 큐비트(초전도, 포획된 이온)는 “국소적”입니다. 정보는 특정 전자나 이온에 저장됩니다. (노이즈와 함께) 전자를 걷어차면 데이터가 손실됩니다.

토폴로지 솔루션

토폴로지 큐비트는 “비로컬”입니다. 정보는 한 곳에 저장되지 않습니다. 그것은 입자들 사이의 관계에 저장됩니다. 끈의 매듭을 상상해 보세요. 끈을 흔들면(소리) 매듭이 사라지지 않습니다. 매듭을 풀려면 끈을 자르거나 의도적으로 끝을 움직여야 합니다. 국소 노이즈는 양자 정보를 “풀 수” 없습니다.

기계 이해: “땋기”의 물리학

이것이 이상해지는 곳입니다. 마요라나 1번을 이해하려면 아뉘즈를 이해해야 합니다.

1. 비아벨리안 애니온

3D 세계에는 페르미온(물질)과 보존(빛)이 있습니다. 2D 시스템에는 세 번째 범주인 Anyons가 있습니다. 특히 Microsoft는 “Non-Abelian Anyons”를 사용합니다. 이 입자 두 개를 교환하면 위치만 바뀌는 것이 아닙니다. 시스템 상태를 근본적으로 변경합니다.

2. “테트론” 아키텍처

Majorana 1 칩은 Tetron이라는 기본 단위를 사용합니다.

• 구조: 알루미늄 나노와이어와 “토포컨덕터” 소재로 만들어진 H형 장치입니다.
• The Magic: 각 Tetron은 4개의 MZM(Majorana Zero Mode)을 호스팅합니다.
• 큐비트: 이 4개의 MZM이 집합적으로 하나 큐비트를 형성합니다. 정보는 장치 전체에 걸쳐 전자의 “패리티”(총 개수가 짝수인지 홀수인지 여부)로 인코딩됩니다.

3. 계산으로서의 편조

이것이 핵심 혁신입니다. 계산을 수행하려면 IBM과 같은 마이크로파 펄스를 사용하여 큐비트를 자극하지 마세요. Majoranas를 서로 물리적으로 이동합니다.

• The Braid: 세 사람이 춤을 추고 있다고 상상해 보세요. A가 B 주변을 돌아다니면 경로를 추적합니다. 양자 세계에서 이 경로는 시공간의 “끈”입니다.
• 결과: 계산은 오직 브레이드의 토폴로지(누가 누구를 둘러쌌는지)에 따라 달라집니다. 그들이 완벽한 원을 그리며 걸었는지, 흔들리는 타원을 그리며 걸었는지는 중요하지 않습니다.
• 면역: 특정 경로는 중요하지 않고 직조 패턴만 중요하므로 시스템(소음)을 흔들어도 답이 변경되지 않습니다.

데이터: Microsoft 대 Google(2025)

이제 전략의 차이로 인해 측정 가능한 데이터가 생성되고 있습니다.

Google의 “Willow” 칩(초전도)

• 전략: 무차별 대입 오류 수정.
• 상태: Google은 최근 101개의 물리적 큐비트(거리-7 코드)를 사용하여 오류율을 **0.143%**까지 억제할 수 있음을 시연했습니다.
• 궤적: 그들은 엔지니어링 전쟁에서 승리하고 있습니다. 그들은 큐비트를 가지고 있으며 규모를 통해 오류를 극복하고 있습니다.

Microsoft의 “Majorana 1”(토폴로지)

• 전략: 물리 기반 보호.
• 상태: 초기 칩은 원시 물리적 오류율 **$10^{-4}$**로 큐비트를 생성합니다.
• 키커: 오류 처리 기능이 내장되어 있으므로 논리적인 큐비트를 만드는 데 이론적으로 훨씬 적은 물리적 큐비트가 필요합니다. Microsoft는 Google의 접근 방식보다 훨씬 작은 공간을 사용하여 **$10^{-6}$**의 논리적 오류율에 도달할 수 있다고 주장합니다.

업계에 미치는 영향

암호화에 미치는 영향(Q-Day 시계)

토폴로지 큐비트가 작동하면 확장이 훨씬 쉬워집니다. 백만 큐비트를 얻기 위해 창고 크기의 냉각 시스템이 필요하지 않습니다. 서버 랙에 장착할 수도 있습니다. 이로 인해 코드 해독의 악몽 시나리오인 Shor의 알고리즘의 타임라인이 잠재적으로 3~5년 단축됩니다.

재료 과학에 미치는 영향

Majorana 1의 주요 사용 사례는 양자 시스템(적절하게도 그렇습니다)을 시뮬레이션하는 것입니다. Microsoft는 이미 탄소 포집을 위한 촉매 동작을 시뮬레이션하기 위해 이 초기 아키텍처를 사용하기 위해 거대 화학 기업과 협력하고 있습니다. 시뮬레이션은 장기간에 걸쳐 높은 충실도를 요구하지만 시끄러운 큐비트는 어려움을 겪습니다.

과제 및 한계

모든 것이 순조롭게 항해되는 것은 아닙니다. 마이크로소프트는 본질적으로 실험용 제트기를 조종하려고 노력하고 있고 구글은 안정적인 747을 조종하고 있습니다.

1. 제조 지옥: “위상전도체”를 제작하려면 이국적인 재료와 극도로 정밀한 제작이 필요합니다. 이들 칩의 수율은 현재 표준 실리콘의 일부에 불과합니다.
2. 제어 복잡성: 입자를 “땋는” 것은 생각보다 어렵습니다. 표준 게이트 작동보다 느린 복잡한 “측정 기반” 제어 시퀀스가 ​​필요합니다.
3. “느린” 큐비트: 토폴로지 큐비트는 일반적으로 초전도 트랜스몬 큐비트보다 작동 속도가 느립니다. Microsoft는 정확성이 속도를 이긴다고 확신하지만 일부 알고리즘의 경우 속도가 중요합니다.

다음은 무엇입니까?

단기(2026~2027)

Microsoft는 밀리초가 아닌 몇 분 또는 몇 시간 동안 생존하는 “논리적” 큐비트를 시연하는 것을 목표로 64개 이상의 큐비트를 갖춘 “Majorana 2”를 출시할 것으로 예상됩니다.

장기(2030+)

목표는 “Million Qubit” 머신입니다. Microsoft는 Tetron의 작은 설치 공간으로 인해 Google의 트랜스몬 10,000개를 겨우 수용할 수 있는 웨이퍼에 백만 큐비트를 넣을 수 있다고 주장합니다.

결론

Majorana 1의 출시는 아벨주의자가 아닌 사람의 “불가능한” 물리학이 단순한 화이트보드 이론이 아니라는 것을 증명합니다. 연결할 수 있는 하드웨어입니다.

지난 10년 동안 우리는 “양자 컴퓨터의 오류를 어떻게 수정합니까?”라고 질문해 왔습니다. Microsoft는 “그것을 만들지 않는 컴퓨터를 만드십시오”라는 다른 대답을 제시했습니다.

Majorana 1이 사양에 맞게 작동한다면 양자 컴퓨팅의 “잡음 시대”는 이제 막 퇴거 통지를 받은 것입니다.

출처 (3)

• azure.microsoft.com Microsoft Azure Quantum Blog: The Majorana 1 Announcement
• nature.com Observation of Majorana Zero Modes
• quantumai.google Google Quantum AI: Error Correction Milestones