MS, 안정성 1000배 높인 차세대 양자 칩 ‘마요라나 2’ 내놨다

마이크로소프트가 2일(현지시간) 공개한 차세대 양자 컴퓨팅 칩 '마요라나2(Majorana 2)'. (사진=MS)

[이데일리 한광범 기자] 마이크로소프트(MS)가 연례 개발자 회의 ‘빌드 2026’에서 사티아 나델라 CEO의 기조연설을 통해 차세대 양자 컴퓨팅 칩 ‘마요라나 2(Majorana 2)’를 전격 공개한 가운데, 이 칩의 구체적인 하드웨어 설계 공식 기술 블로그가 추가로 공개됐다.

MS의 양자 하드웨어 부문을 총괄하는 체탄 나약(Chetan Nayak) 테크니컬 펠로우 겸 부사장은 3일 기술 블로그 기고를 통해 에이전틱 AI의 지원을 받아 한계를 극복한 마요라나 2의 구조적 혁신과 미 국방고등연구기획국(DARPA)과의 최종 단계 협업 사실을 상세히 밝혔다.

나약 부사장은 “마요라나 2는 이전 세대 양자 처리 장치(QPU)보다 큐비트 신뢰성을 1000배 향상시켰다”며 “우리는 새로운 물질 스택과 새로운 장치 디자인을 확보했으며, 진행 속도를 높이기 위해 에이전틱 AI를 활용하고 있다”고 서두를 열었다. 이어 “이러한 신소재와 디자인의 결합이 가져온 결과가 바로 확장 가능한 양자 기계로 가는 로드맵을 절반으로 단축해 오는 2029년까지 인도하는 것”이라고 선언했다.

마요라나 2의 가장 근본적인 변화는 기존 초전도 소재인 알루미늄을 ‘납(Pb)’으로 교체한 점이다. 나약 부사장은 “반도체 스택에 몇 가지 변화를 주어 더 큰 스핀-궤도 결합과 낮은 무질서도를 얻었고, 알루미늄을 납으로 바꿨다. 납은 훨씬 더 큰 갭을 가진 초전도체”라고 설명했다. 외부 소음과 오류로부터 취약한 큐비트를 보호하는 장벽인 ‘토폴로지 갭(Topological gap)’의 크기를 이전 세대 대비 두 배 이상 확보했다는 설명이다.

그 결과 1세대(마요라나 1)에서 1~12밀리초 수준에 머물렀던 큐비트 수명(지속 시간)이 마요라나 2에서는 평균 20초, 일부 사례에서는 최대 1분을 돌파하며 안정성을 1000배 이상 끌어올렸다.

‘테트론’ 기반 측정 제어 구현 및 분산형 모듈러 아키텍처 배제

하드웨어 구조적으로 마요라나 2는 양자 와이어 양 끝단에 존재하는 ‘마요라나 제로 모드(MZM)’를 기본 단위로 삼아, 인듐 비소(InAs)와 인듐 비소 안티몬(InAsSb)의 화합물 구조 활성 영역 위에 두 개의 초전도 나노와이어로 구성된 토폴로지 큐비트인 ‘테트론(Tetron)’ 기반의 멀티 테트론 어레이 형태로 제작됐다. 전자의 개수가 짝수인지 홀수인지를 나타내는 ‘패리티(Parity)’ 측정을 기본으로 삼는 ‘측정 기반 제어’ 방식을 채택해 단 한 번의 측정(Single shot)으로 큐비트의 정보를 읽어낸다.

나약 부사장은 “토폴로지 보호 기술을 사용하면 크기, 속도, 제어 가능성을 희생하는 고통스러운 ‘상충 관계’ 없이도 더 신뢰할 수 있는 큐비트를 만들 수 있으며, 오히려 이러한 특성들이 더 향상된다”고 덧붙였다.

특히 나약 부사장은 일각에서 제시하는 모듈형 하드웨어 방식과의 선을 그었다. 그는 “우리는 여러 개의 칩을 일종의 다중 칩 모듈로 펼치거나 여러 희석 냉동기에 걸쳐 분산시키는 모듈형 아키텍처는 계획하고 있지 않으며, 그 길로 가지 않을 것”이라고 못 박았다. 단일 칩에 100만 개 이상의 큐비트를 집적하는 방향성을 추구하겠다는 의지다.

이 같은 공학적 도약에는 AI 시뮬레이션의 역할이 결정적이었다. 나약 부사장은 “이번 소재 대전환은 시뮬레이션과 에이전틱 AI에 의해 크게 주도되었으며, 제작 공정의 개발까지 가능하게 만들었다”며 “에이전틱 AI는 우리가 하는 거의 모든 일에 스며들어 있으며 이제 워크플로의 아주 자연스러운 일부가 됐다”고 전했다.

실제로 MS 양자 팀은 AI를 활용해 원자 단위 설계가 필요한 불순물 배합 공정을 이상적인 단 한 번의 실험만으로 성공시켰고, 파편화되어 있던 20년 분량의 데이터를 통합 분석했으며, 수주일씩 걸리던 까다로운 측정 과정을 병렬 자동화했다.

마지막으로 나약 부사장은 미국 DARPA의 ‘실용 규격 양자 컴퓨팅(US2QC)’ 프로그램 및 ‘양자 벤치마킹 이니셔티브(QBI)’를 통한 검증 성과도 공유했다. DARPA와 국립연구소 전문가들은 MS의 양자 아키텍처와 엔지니어링 계획을 철저히 분석한 뒤 최종 프로토타입 제작 계약을 체결했다.

나약 부사장은 “우리는 막대한 상업적·사회적 가치를 지닐 것으로 믿는 컴퓨터를 선보이기 위해 매년 개선을 거듭해야 한다”며 “작년과 비교했을 때 현재 위치는 우리는 1,000배 더 발전했다”고 거듭 강조했다. MS는 수십 년이 아닌 ‘수년’ 내에 결함 허용(Fault-tolerant) 프로토타입을 구축할 계획이다.