일본산업뉴스요약

광전융합으로 진화하는 양자컴퓨터, 그 핵심은 반도체 기술
‘큐비트의 아버지’의 도전

반도체와 AI(인공지능) 분야에서 활용이 기대되고 있는 광전융합 기술을 양자컴퓨터에도 응용하려는 검토가 진행되고 있다. 최첨단 반도체 기술을 응용함으로써 보다 실용적인 양자컴퓨터를 실현할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

필자는 최근, 닛케이크로스테크의 특집 ‘순수 국산 양자컴퓨터 개발 이야기’를 집필, 국산 양자컴퓨터 개발에 참여한 연구자·엔지니어들의 도전을 소개했다. 2회에서는 국산 양자컴퓨터 1호기 개발을 주도한 이화학연구소 양자컴퓨터연구센터의 나카무라(中村) 센터장의 개발 비화를 통해 미래 기술을 향한 그의 흥미로운 도전에 대해 들을 수 있었다.

나카무라 센터장은 1999년, 세계 최초로 ‘큐비트’를 개발한 실적을 가지고 있는 ‘큐비트의 아버지’라고도 말할 수 있는 인물이다. 큐비트는 양자컴퓨터에 있어 정보의 기본 단위이며, 양자 계산에 반드시 필요한 기본 요소라고 할 수 있다. 나카무라 센터장과 그의 동료가 개발한 양자칩(QPU)은 현재, 이화학연구소와 오사카대학에서 가동 중인 복수의 양자컴퓨터에 탑재되어 있다.

나카무라 센터장은 현재, 최신 반도체 기술을 양자컴퓨터에 응용하는 방안을 검토하고 있다. 구체적으로는, 광전융합 및 반도체 회로를 극저온 하에서 구동하는 ‘Cryo-CMOS(상보형 금속 산화 반도체)’의 이용이다. 1만~100만 큐비트의 대규모 양자컴퓨터 개발을 위해서는 이러한 기술들이 중요해진다.

-- 반도체의 신기술로 양자컴퓨터도 진보 --
예를 들어, 광전융합을 활용해 제어 신호를 빛으로 전송하는 방법이 검토되고 있다. 광섬유를 이용해 외부에서 제어 신호를 송신하여 냉동기 내부의 큐비트 제어에 이용하는 방법이다. 광섬유는 열전도율이 낮기 때문에 일반 전선을 사용할 때보다 외부로부터의 열 영향을 억제할 수 있다. 시스템 설계도 간소화할 수 있을 전망이다.

단, 큐비트가 계산을 실행하기 직전, 광 신호에서 마이크로파 신호로 광전 변환될 때 변환 장치가 발열될 위험이 있다. 광전융합 분야에서는 현재, 변환 효율이 높은 광전 디바이스에 대한 연구·개발이 진행 중이며, 향후 발전이 기대되고 있다.

큐비트 제어 회로에 Cryo-CMOS를 활용한 사례도 있다. 냉동기 내부에 회로를 장착하면 케이블 수가 줄어들어 대규모 양자컴퓨터라도 쉽게 구축할 수 있다. 하지만, Cryo-CMOS 회로 자체가 발열하면 큐비트의 노이즈 발생원이 될 위험이 있기 때문에 보다 저전력의 회로 설계가 필요하다.

아직 기술적인 과제는 남아 있지만, 그러한 기술 과제를 극복한다면 양자컴퓨터의 비약적인 진보를 기대할 수 있다. 실제로 지금까지 반도체 분야의 기술 진보가 양자컴퓨터 개발을 촉진해 온 사례는 여러 개 있다.

예를 들어, 아날로그 신호와 디지털 신호를 변환하는 ‘AD/DA 컨버터’의 성능이 향상되면서, 그 동안 생성이 어려웠던 마이크로파를 손쉽게 출력할 수 있게 되었고, 보다 적은 부품으로 시스템을 구축할 수 있게 되었다. FPGA(재구성 가능한 집적 회로)를 활용해 제어 장치를 소형화한 사례도 있다.

-- “5년 전과는 완전히 달라졌다”, 변화에 대한 대응이 핵심 --
나카무라 센터장은 “최첨단 기술을 얼마나 신속하게 활용할 수 있는지가 매우 중요하다.”라고 말한다. 실제로 반도체 기술의 진보로 5년 전과 지금의 양자컴퓨터 시스템은 완전히 달라졌고, 성능도 크게 향상되었다고 한다. 최첨단 기술의 신속한 활용은 중국 등 해외 기업들 사이에서도 활발히 이루어지고 있으며, 적극적인 연구·개발도 진행되고 있다.

필자가 2025년 말에 참가한 반도체 분야의 국제 학회 ‘IEDM (International Electron Devices Meeting) 2025’(2025년 12월 6~10일)에서는 양자컴퓨터 기술 관련 발표가 예년보다 많았다. 예를 들어, 미국의 샌디아 국립 연구소(Sandia National Laboratories)는 광전융합을 응용해 이온트랩형 양자컴퓨터의 제어 시스템을 구축한 연구 사례를 소개했다.

조금 먼 미래에는 초현실적인 계산 기술이 보급되어 있을지도 모른다. NTT 등이 추진하고 있는 차세대 네트워크 ‘IOWN’은 광전융합을 핵심으로 하며, 광양자컴퓨터와 결합함으로써 분산형 양자컴퓨터를 실현할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 현재, NTT와 광방식의 양자컴퓨터를 개발하는 OptQC(도쿄)가 2030년까지 100만 큐비트 규모의 양자컴퓨터를 개발한다는 계획 아래 협력하고 있다.

일본의 국산 양자컴퓨터 개발에서는 폭 넓은 산업 분야와 종합적인 역량이 그 결정적 요인이 되었다. 다양한 분야에서 축척해 온 기술과 노하우가 일본의 진정한 강점이다. 언뜻 관련 없어 보이는 기술들이 서로 연결되어 차세대를 열어가는 계기가 되고 있다.

필자는 당초, 광전융합과 양자컴퓨터가 머릿속에서 잘 연결되지 않아 의문으로 가득했다. 취재를 통해 미래 기술에 대한 관심이 깊어지면서 점차 기대가 커지고 있다. 물론, 기술적 장벽이 매우 높기 때문에 결과적으로 꿈의 이야기로 끝날 가능성도 있다. 하지만, 일본에는 많은 가능성이 존재한다는 것도 사실이다. 희망을 가지고 앞으로도 기술의 최전선을 취재해 나가고 싶다.

-- 끝 --

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