마이크로소프트(MS)의 양자 컴퓨팅 칩 '마요라나(Majorana) 1

2025년 2월 19일 마이크로소프트(MS)의 양자 컴퓨팅 칩 '마요라나(Majorana) 1이 공개되었습니다. 어떤 기술인지 다른 기업, 기존 기술과는 어떻게 차별화되는지, 산업에의 영향은 어떠할지, 살펴봅니다.

마이크로소프트의 양자컴퓨팅 칩 '마요라나 1'

마이크로소프트(MS)가 2025년 2월 19일 공개한 양자 컴퓨팅 칩 '마요라나 1(Majorana 1)'은 양자 기술 발전사에서 이정표적인 성과로 평가받습니다.

손바닥 크기의 이 칩은 위상초전도체(Topological Conductor)라는 신소재를 기반으로 8개의 큐비트(Qubit)를 구현했으며, 향후 100만 개 이상의 큐비트 집적이 가능한 확장성을 지니고 있다고 합니다. 이는 기존 IBM과 구글의 1,000 큐비트급 기술을 1,000배 이상 능가하는 규모로, 양자컴퓨터 상용화를 앞당길 핵심 기술로 주목받고 있습니다.

마요라나 1의 혁신성은 양자 상태의 안정성을 높인 위상적 큐비트와 디지털 제어 시스템에 있으며, 이를 통해 AI 가속화, 신소재 개발, 복잡계 최적화 문제 해결 등 다양한 분야에서 패러다임 전환이 예상됩니다.

마요라나 1의 기술적 혁신: 위상초전도체와 양자 아키텍처

1. 위상적 물성의 과학적 기반

마요라나 1의 핵심 소재인 토포컨덕터(Topoconductor)는 인듐비소(InAs) 반도체와 알루미늄(Al) 초전도체를 원자 수준에서 결합한 인공 구조체입니다. 이 물질은 극저온(영하 273°C 이하)에서 토폴로지 초전도성(Topological Superconductivity)을 발현하며, 기존의 고체·액체·기체와 구별되는 제4의 물질 상태를 형성합니다.

이러한 환경에서 전자는 쿠퍼 쌍(Cooper pair) 대신 마요라나 페르미온(Majorana Fermion)으로 알려진 입자-반입자 동시성을 지닌 양자 상태를 나타냅니다. MS 연구진은 나노와이어 양단에 형성된 마요라나 제로 모드(Majorana Zero Mode)를 정보 저장 단위로 활용함으로써, 외부 간섭에 강한 큐비트 구현에 성공했습니다.

📌"토포컨덕터는 홀로 남은 전자를 마요라나 제로 모드 쌍 사이에 숨길 수 있어 외부 간섭을 차단한다"

- 크리스타 스보르 MS 기술연구위원

2. 확장 가능한 하드웨어 설계

마요라나 1의 아키텍처는 H형 알루미늄 나노와이어로 구성된 '테트론(Tetron)' 모듈을 기본 단위로 합니다. 각 테트론은 4개의 마요라나 입자를 제어할 수 있으며, 이들을 타일링 방식으로 배열해 칩 당 100만 큐비트 이상의 집적이 가능합니다.

이 설계는 오류 수정에 필요한 물리적 큐비트 수를 기존 대비 10분의 1로 줄여, 실용적 규모의 양자컴퓨팅을 실현할 잠재력을 지니고 있습니다. 특히 MS는 아날로그 신호 대신 디지털 게이트 제어 방식을 도입해 기존 양자 시스템의 복잡한 캘리브레이션 과정을 단순화했으며, 이를 통해 Azure 클라우드 데이터센터와의 통합 용이성을 확보했습니다.

기존 양자 기술과의 비교 분석

현재 양자컴퓨팅 분야는 크게 세 가지 기술 경쟁이 진행 중입니다. 초전도 방식, 이온트랩 방식, 위상적 접근법이 그것입니다.

IBM·구글·리게티가 주도하는 초전도 방식은 미세한 전자기 펄스로 큐비트를 제어하지만, 열잡음과 Decoherence 시간이 짧아 오류율이 높다는 한계가 있습니다.

이온트랩(Ion Trap) 방식을 채택한 아이온큐·하니웰은 레이저로 포획된 이온의 양자 상태를 이용해 높은 안정성을 얻지만, 시스템 규모 확장이 어려워 100 큐비트 이상 구현에 진전이 더딘 상황입니다.

반면 MS 마요라나 1의 위상적 큐비트는 나노미터(0.01mm) 단위의 물리적 크기와 1% 미만의 측정 오류율을 자랑하며, 큐비트 간 상호작용을 최소화해 대규모 병렬 처리에 적합합니다. MS의 실험 결과에 따르면, 테트론 구조 내에서 10억 개 대 10억 1개의 전자 수 차이를 마이크로파 측정으로 식별할 수 있어 정보 판독 정확도에서도 우위를 확인했습니다.

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MS 마요라나 1의 사회적 영향

1. 재료과학 혁명과 지속가능 기술

마요라나 1의 상용화는 분자 단위 시뮬레이션 능력을 급진전시켜 신소재 개발 속도를 혁신할 전망입니다. MS는 양자컴퓨터가 AI와 결합되면 탄소중립 소재(예: 초고효율 태양전지), 자기 치료 합금(예: 균열 자동 복구 항공기 구조체), 미세플라스틱 분해 촉매 등을 시행착오 없이 설계할 수 있다고 예측합니다. 이는 현재 슈퍼컴퓨터로 수백 년 걸리는 분자 역학 계산을 수시간 내에 완료함으로써 가능해집니다.

2. 암호학 체계의 재편

Shor 알고리즘을 활용한 2048비트 RSA 암호 해독이 양자컴퓨터로 8시간 만에 가능해질 경우, 기존 공개키 기반 보안 인프라는 근본적 재설계가 불가피합니다. MS는 마요라나 1 기반 양자난수생성기(QRNG)와 양자키분배(QKD) 시스템을 Azure 플랫폼에 통합해 포스트 양자 암호학 시대를 주도할 계획입니다.

기술적 도전과 미래 전망

1. 잔류 과제와 경쟁 구도

그러나 상용화까지는 난관도 있습니다. 마요라나 1이 실용화되기 위해서는 극저온 유지 비용 절감(현재 냉각 시스템 가격은 1,000만 달러 이상)과 큐비트 밀도 향상이 관건입니다. 또한 중국이 2030년까지 100만 큐비트급 '오리진 우콩' 프로젝트를 추진 중인 점, 유럽이 ION-QCLOUD 컨소시엄을 통해 이온트랩 기술에 집중하는 점을 고려할 때 글로벌 표준 경쟁은 더욱 가속화될 전망입니다.

MS는 2027년까지 128 큐비트 버전을 출시하고, 2030년대 초 1만 큐비트 시스템을 통해 양자 우위(Quantum Supremacy)를 공고히 할 계획이라고 합니다. 이와 병행해 CUDA-Q 플랫폼을 통해 엔비디아 GPU와의 양자-클래식 하이브리드 컴퓨팅 생태계 구축에도 박차를 가하고 있습니다.

마무리

이상 2025년 2월 19일 공개된 마이크로소프트(MS)의 양자 컴퓨팅 칩 '마요라나(Majorana) 1에 대해 알아보았습니다. 어떤 기술인지 다른 기업, 기존 기술과는 어떻게 차별화되는지, 산업에의 영향은 어떠할지, 살펴보았습니다.

MS의 마요라나 1은 트랜지스터가 전자공학을 재편한 20세기 중반과 유사한 기술적 전환을 양자 영역에서 촉발할 잠재력을 지니고 있다 할 수 있습니다. 그러나 기술 성숙도와 윤리적 프레임워크 정립 사이의 간극을 메우기 위해 산학연 협력 체계가 강화되어야 하고, 개인정보 보호 문제 또한 해결과제로 남습니다.

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