Special 인공지능 컴퓨팅을 위한 소재 및 소자기술 개발 동향(2)

광양자컴퓨팅을 위한 반도체 집적광학 기술

남동욱_서울대학교 전기정보공학부 교수

손영익_KAIST 전기및정보공학부 부교수

한상윤_DGIST 로봇및기계전자공학과/양자정보과학전공 부교수

1. 서론

양자컴퓨팅은 기존 고전 컴퓨터로는 해결이 어려운 복잡한 계산 문제를 획기적으로 가속할 수 있는 차세대 정보처리 기술로 주목받고 있다[1]. 신약 및 신소재 설계, 최적화 문제, 금융 모델링, 암호 분석, 인공지능 연산 등 다양한 산업 분야에서 활용 가능성이 제시되면서, 글로벌 IT 기업과 신생 스타트업, 그리고 각국 정부는 양자 하드웨어 기술 확보에 대규모 투자를 확대하고 있다. 최근에는 단순한 실험적 시연을 넘어 실제 응용이 가능한 대규모 양자 프로세서를 구현하는 것이 핵심 과제로 부상하였으며, 어떤 플랫폼이 안정적으로 스케일업에 성공하느냐가 기술 경쟁력을 좌우하는 상황에 이르렀다.

그러나 수천 개 이상의 큐비트를 동시에 제어하는 실용적 양자컴퓨터 구현은 여전히 쉽지 않다[1]. 양자 상태는 외부 환경과의 미세한 상호작용에도 쉽게 교란되며, 소자 수가 증가할수록 오류와 잡음이 누적되어 시스템 신뢰성이 급격히 저하된다. 따라서 대규모 양자컴퓨터를 구현하기 위해서는 많은 수의 큐비트를 안정적으로 유지할 수 있는 높은 안정성과 함께, 시스템 규모를 지속적으로 확대할 수 있는 확장성을 동시에 확보해야 한다. 결국 양자 하드웨어의 핵심 과제는 ‘안정적으로 동작하면서도 대규모로 확장 가능한 플랫폼’을 찾는 데 있다.

이러한 요구 조건을 만족할 수 있는 유력한 접근법 중 하나가 광자 기반 양자컴퓨팅이다[2]. 광 신호는 비교적 낮은 손실로 전달될 수 있으며, 다양한 광학 소자를 조합하여 복잡한 연산 구조를 구현할 수 있다. 또한 기존 광통신 기술과의 높은 호환성을 바탕으로 정밀한 제어와 측정이 가능하여, 실험적으로 다양한 양자 연산 기능을 구현하는 데 적합한 특성을 갖는다.

실제로 지난 20여 년간 자유공간(free-space) 광학계를 기반으로 한 연구를 통해 광자 플랫폼의 가능성이 지속적으로 입증되어 왔다[2]. 빔 스플리터, 거울, 지연선, 검출기 등 개별 광학 부품을 대형 광학 테이블 위에 배열하여 다광자 간섭, 얽힘 생성, 복잡한 양자 상태 구현 등 핵심 기능들이 성공적으로 실증되었으며, 광자 기반 접근이 실제 양자연산을 수행할 수 있는 플랫폼임이 확인되었다. 이러한 연구 성과는 광양자컴퓨팅의 원리 검증과 초기 기술 발전에 중요한 토대를 마련하였다.

그러나 자유공간 광학 방식은 시스템 규모가 커질수록 구조적인 한계를 드러낸다. 광학 부품 수가 증가할수록 정밀 정렬과 안정화가 급격히 어려워지고, 외부 환경 변화에 민감해 장시간 안정 운용이 쉽지 않다. 또한 동일한 회로를 반복 제작하거나 대량으로 재현하는 것이 사실상 불가능하며, 회로 변경 시 물리적 재배치를 필요로 한다. 이러한 특성은 실험적 시연에는 적합할 수 있으나, 수천 개 이상의 소자를 요구하는 실용적 양자 프로세서 구현과 산업적 확장에는 근본적인 제약으로 작용한다.

이와 같은 문제를 해결하기 위한 대안으로 최근 집적광학(Photonic Integrated Circuits, PIC) 기술이 주목받고 있다[3]. 집적광학은 다양한 광소자를 하나의 칩 위에 통합함으로써 광 경로를 구조적으로 고정하고 정렬 문제를 제거할 수 있으며, 소형·고안정 광회로를 구현할 수 있다. 또한 전기적 신호를 이용한 능동 제어를 통해 하나의 칩에서 다양한 회로 구성을 유연하게 구현할 수 있어, 복잡한 양자 연산을 안정적으로 수행할 수 있는 기반을 제공한다. 이는 대규모 시스템으로의 확장을 가능하게 하는 핵심 기술적 전환점이라 할 수 있다.

특히 이러한 집적 접근은 기존 반도체 제조 공정과 높은 호환성을 가지며, 웨이퍼 단위 제작과 표준화된 패키징을 통해 동일한 성능의 칩을 반복 생산할 수 있다[4]. 이는 광양자컴퓨팅을 연구실 중심의 실험 장치에서 벗어나 제조 가능한 산업 기술로 전환시키는 결정적 요소이다. 다시 말해, 양자 하드웨어 경쟁력은 개별 실험 성과가 아니라 집적·공정·패키징을 포함한 제조 역량에 의해 좌우되고 있다.

세계 최고 수준의 반도체 제조 인프라와 대규모 팹 운영 경험을 보유한 대한민국은 이러한 집적광학 기반 접근에서 중요한 경쟁 우위를 확보할 수 있다. 기존 반도체 공정과 패키징·테스트 생태계를 광집적 양자기술과 결합한다면, 빠른 스케일업과 안정적인 양산 체계를 구축할 수 있으며, 이는 차세대 양자 하드웨어 산업을 선도할 수 있는 중요한 기회가 될 것으로 기대된다.

본 논문에서는 이러한 배경을 바탕으로 집적광학 기반 광양자컴퓨터 구현에 필요한 핵심 기술 요소들을 체계적으로 살펴본다. 광원, 광 프로세서, 검출기, 집적 및 패키징 기술을 중심으로 각 구성요소의 기술 동향과 과제를 분석하고, 반도체 제조 인프라를 활용한 대규모 스케일링 전략과 향후 발전 방향을 제시하고자 한다.

2. 집적 광양자컴퓨터의 핵심 요소기술

집적광학 기반 광양자컴퓨터는 단일 소자만으로 구현될 수 있는 시스템이 아니라, 광원, 광 연산 회로, 단일광자 검출기, 패키징 및 전자 제어부 등 다양한 구성요소가 유기적으로 결합된 복합 시스템이다. 각 요소는 서로 밀접하게 연동되며, 어느 하나의 성능 저하도 전체 시스템의 동작 안정성과 확장성을 제한하는 병목으로 작용할 수 있다. 따라서 대규모 광양자컴퓨팅 구현을 위해서는 개별 소자의 특성 개선과 함께, 이들 요소를 칩 및 모듈 수준에서 통합하는 집적 기술이 동시에 요구된다.

그림 1은 광양자컴퓨터 구현에 필수적인 광집적회로 구조를 개념적으로 나타낸 것이다. 칩 상에는 양자 상태를 생성하는 광원, 광 신호를 변환·간섭시키는 프로세서, 단일광자를 측정하는 검출기가 집적되며, 외부의 전자 제어 회로 및 고전적 입출력 시스템과 연동되어 전체 연산이 수행된다. 이러한 아키텍처는 개별 광소자를 집적회로 형태로 구현함으로써 소형화, 안정성, 재현성을 동시에 확보하는 것을 목표로 한다.

본 논문에서는 광자 기반 양자컴퓨팅 접근 중에서도 단일광자 검출과 간섭을 기반으로 연산을 수행하는 이산변수(discrete-variable, DV) 양자컴퓨팅 아키텍처에 초점을 맞춘다. 따라서 연속변수 방식이나 기타 광학적 변형 접근법은 다루지 않으며, 집적 광회로 기반 단일광자 처리 기술을 중심으로 핵심 요소기술을 논의한다.

이하에서는 이러한 관점에서 광양자컴퓨터용 광집적회로를 구성하는 주요 요소기술을 차례로 살펴본다. 먼저 2-1절에서는 단일광자 생성을 위한 광원 기술을 소개하고, 이어 2-2절에서는 광 프로세서, 2-3절에서는 단일광자 검출기, 2-4절에서는 패키징 및 시스템 통합 기술을 다룬다.

그림 1. 광양자컴퓨터를 구성하는 광집적회로 및 구성요소.

2-1. 단일광자 광원

그림 2. (a) 비선형 광학 기반 단일광자원 광집적회로. (b) 2차원 소재 점결함 기반 단일광자원 기술[5].

단일광자는 이산변수 양자컴퓨팅에서 정보를 표현하고 연산을 수행하는 가장 기본적인 물리 자원이다. 따라서 집적 플랫폼 상에서 안정적이고 재현성 있게 단일광자를 생성하는 기술은 광자 기반 양자프로세서 구현의 출발점이라 할 수 있으며, 지난 10여 년간 가장 활발히 연구되어 온 핵심 요소기술 중 하나이다. 이상적인 단일광자 광원으로 평가되기 위해서는 몇 가지 성능 지표를 동시에 만족해야 한다.

-----이하 생략

<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2026년 3월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>