호주의 한 스타트업은 마이크로칩의 분자를 모델링하여 나노미터 이하의 정밀도로 실리콘에 원자를 배치했다.

물질이 양자 역학에 의해 지배되는 원자 규모의 분자를 시뮬레이션하는 이러한 능력은 양자 세계에 대한 우리의 이해를 향상시키고 고온 초전도체 또는 초고효율 태양 전지와 같은 놀라운 새로운 물질의 생성으로 이어질 수 있다.

마이크로칩을 담당하는 스타트업인 실리콘 양자 컴퓨팅(Silicon Quantum Computing)의 설립자인 미셸 시몬스(Michelle Simmons)는 “자연이 어떻게 행동하는지 모방하기 시작할 수 있고 그 다음에는 세상이 전에 본 적이 없는 새로운 종류의 재료와 장치를 만들기 시작할 수 있다.”고 말했다.

작게 생각하기

최초의 석기 도구를 만든 지 몇 백만 년 후, 인간은 물질을 확대하여 그것을 구성하는 원자와 아원자 입자를 보면, 그들은 더 큰 규모의 객체를 통제하는 규칙과는 다른 일련의 규칙을 따른다. 

이러한 규칙("양자 역학")은 자체적으로 유용한 응용 프로그램을 가질 수 있다. MRI 스캐너, 태양 전지 및 원자 시계는 모두 양자 현상을 활용한다.

실리콘 양자컴퓨팅 SQC(Silicon Quantum Computing)는 UNSW Sydney, 호주 영연방, Telstra Corporation 및 뉴사우스웨일스 주를 포함한 협력으로 2017년 5월에 설립된 호주 회사이다. 8,300만 호주 달러(미화 5,700만 달러)로 자금을 지원받은 이 회사는 세계 최고의 양자 컴퓨팅 지적 재산(IP) 포트폴리오를 인수했으며 상용 규모의 양자 컴퓨터를 시장에 출시하기 위한 글로벌 노력의 최전선에 서 있다.

SQC는 UNSW의 전문 장비 및 실험실뿐만 아니라 양자 과학자, 엔지니어 및 기술자로 구성된 세계적 수준의 팀으로 구성된다. 핵심 프로세서 기술 외에도 회사는 유용하고 제조 가능한 장치를 제공할 수 있도록 "풀 스택" 양자 컴퓨터를 개발하고 있다.

2012년 UNSW의 팀은 크기가 단 하나의 원자인 최초의 양자 트랜지스터를 만들었다. SQC의 설립과 더 많은 수년간의 연구 및 개발에 이어, 그들은 지금까지 가장 큰 이정표인 원자 규모로 제조된 세계 최초의 집적 회로를 발표했다. 게다가 이는 예정보다 2년 앞서 달성한 것이다.

연구원들은 칩에 양자점을 배치하기 위해 초고진공에서 주사 터널링 현미경을 사용했다. 이를 위해서는 나노미터 이하 규모의 놀라운 정밀도가 필요했다. 장치가 작동하려면 각 점에 대해 정확한 인 원자 수와 각 점 사이의 정확한 간격을 결정해야 했다. 이것은 에너지 준위가 완벽하게 정렬되고 전자가 쉽게 통과하며 양자 일관성이 유지되기 위해 필요하다. 칩에는 아래와 같이 총 10개의 양자점이 있다.

그런 다음 그들은 이 아날로그 양자 프로세서를 사용하여 작은 유기 폴리아세틸렌 분자의 양자 상태를 정확하게 모델링하여 양자 시스템 모델링을 위한 회사 기술의 유효성을 확실히 증명했다. 

UNSW의 양자 물리학 교수이자 SQC의 설립자인 Michelle Simmons는 양자 회로를 자신의 경력에서 가장 큰 성과로 묘사한 "이것은 중대한 돌파구"라고 말했다. "오늘날의 고전적인 컴퓨터는 원자 사이에 가능한 많은 상호작용으로 인해 상대적으로 작은 분자도 시뮬레이션하는 데 어려움을 겪는다. SQC의 원자 규모 회로 기술의 개발을 통해 회사와 고객은 의약품, 배터리 소재, 촉매 등 지금까지 없었던 새로운 소재를 실현할 날이 머지않았다."

SQC 회장인 Stephen Menzies는 "양자 하드웨어와 같은 중요하고 새로운 기술을 통해 이해 관계자는 명시된 이정표를 달성할 수 있는 기술 팀의 능력에서 큰 자신감을 얻는다. 이러한 랜드마크에 예정보다 2년 앞서 도달하는 것은 승리이다."라고 말했다. "SQC의 엔지니어들은 이제 더 산업적으로 관련된 분자를 다루기 위해 기술을 확장하고 있으며 비즈니스로서 우리는 시뮬레이션 요구 사항을 해결하기 위해 표적 산업 파트너십을 개발하기를 기대한다."

분자가 원자 규모에서 어떻게 기능하는지 정확하게 관찰할 수 있는 능력은 새로운 물질을 생성할 때 많은 추측을 제거할 것이다. 41개의 원자가 있는 페니실린 분자를 시뮬레이션하려면 고전적인 컴퓨터에 1086개의 트랜지스터가 필요하며, 이는 관측 가능한 우주에 있는 원자보다 더 많은 트랜지스터이다. 그러나 양자 컴퓨터에는 286 큐비트(양자 비트)만 있는 프로세서가 필요하다.

SQC의 다음 기술 이정표는 100큐비트 양자 장치가 될 것으로 예상된다. 양자 회로 혁신 외에도 이 회사는 최근 2023년부터 2028년까지 개발, 운영 및 전략적 활동을 위한 시리즈 A 자금 1억 3,000만 달러(A$)를 출시한다고 발표했다.

Menzies는 "SQC의 고유한 접근 방식은 기술의 확장성과 품질을 보장한다. 사내에서 제조하고 인재와 파트너십을 확보할 수 있는 능력과 결합하여 우리는 2028년까지 유용한 상용 양자 컴퓨팅을 제공할 수 있는 궤도에 오르고 있다."라고 말했다.

 예상대로 다른 구성은 두 가지 다른 전류를 생성했다. 이미지 출처: 실리콘 양자 컴퓨팅