일본산업뉴스요약

도시바, 자율주행에 양자 기술을 적용
범용 반도체로 소비전력 10분의 1

도시바가 양자 분야에서 획기적인 성과를 잇달아 내고 있다. 자율주행에 양자 계산을 적용해 소비전력을 대폭 줄이는 기술과, 대륙 간 장거리 전송이 가능한 양자 암호 통신 등을 개발했다. 또한 양자 컴퓨터 실용화에 요구되는 높은 정밀도를 구현할 수 있는 소자도 시제품으로 제작하는 등, 양자 분야에서의 사업 확대에 탄력을 붙이고 있다.

도시바는 2026년 2월 5일, 자사 종합연구소에서 언론을 대상으로 기술 설명회를 개최하고 다양한 연구개발 성과를 공개했다. 그 중에서도 시간을 할애해 강조한 것이 양자 기술 분야의 성과다. 설명회에 참석한 최고기술책임자(CTO) 사다(佐田) 씨는 “신산업 창출을 기대할 수 있다”고 말하며, 양자 기술 연구개발의 의의를 설명했다. 본 기사에서는 이 설명회에서 공개된, 주목할 만한 양자 기술 연구개발 성과 4가지를 설명한다.

-- 이미지 인식의 소비전력 1/10 이하로 --
양자 계산기는 크게 두 종류로 나뉜다. 하나는 고전 비트(0 또는 1)와 고전적 알고리즘을 계산에 사용하는 ‘양자 영감 최적화 계산기(이징 머신)’이며, 다른 하나는 양자역학 원리를 기반으로 범용적인 계산을 수행할 수 있는 양자 게이트 방식의 양자 컴퓨터다. 이 중 ‘만능형’으로 기대를 모으는 것은 양자 게이트 방식이다. 다만 실용화는 빨라도 2030년대가 될 것으로 보인다. 한편 이징 머신은 이미 실용화되어 일부 용도에서는 기존 컴퓨터보다 높은 연산 성능과 전력 효율을 달성하고 있다.

도시바의 사다 CTO는 “만능형 양자 컴퓨터의 연구개발을 진행하고 있지만, 이징 머신으로 할 수 있는 일도 많다”고 말하며, 두 종류의 양자 계산기의 연구개발에 주력하겠다는 자세를 보였다.

이징 머신 적용 대상으로 도시바가 주목하는 것은 자동차다. 자율주행에 필수적인 이미지 인식에 적용함으로써 소비전력을 크게 줄일 수 있다. 특히 ‘레벨4’ 이상의 자율주행에서 요구되는, 연산 부하가 큰 이미지 인식 처리에서 효과를 발휘한다. 이러한 이미지 인식에서는 일반적으로 처리 성능이 1000TOPS(초당 1000조 회) 이상의 연산 성능을 가진 차량용 SoC(시스템 온 칩)를 사용한다.

다만 소비전력은 수백 와트(W)에 달할 정도로 크다. 대용량 배터리를 탑재한 전기차(EV)에서는 적용 가능하지만 하이브리드차(HEV)나 가솔린 차량에는 적용하기 어렵다. HEV와 가솔린 차량에서는 차량용 SoC에 할당할 수 있는 전력이 수십 와트 수준이다. 그 중에서도 허들이 높은 것이 가솔린 차량이며 “20W 이하가 바람직하다”(차량 부품 업체 기술자)는 평가다.

도시바는 이징 머신을 적용해 수십 개의 물체를 동시에 인식·추적할 수 있을 뿐만 아니라, 대상 물체가 장애물 뒤로 가려진 이후에도 추적 가능한 고도화된 이미지 인식을 20W 이하의 소비전력으로 구현했다. 이징 머신 회로를 일반적인 임베디드 기기용 FPGA(재작성 가능한 집적 회로)에 구현하고, 미국 NVIDIA의 SoC를 탑재한 컴퓨터 보드 ‘Jetson Orin Nano’와 조합했다.

Jetson Orin Nano는 Jetson Orin 시리즈 중에서도 소비전력이 최대 약 15W로 낮은 제품이다. 수십 개 물체를 동시에 인식·추적했을 때 FPGA의 소비전력은 약 3.4W 수준으로, 전체를 합쳐도 20W를 밑돈다. 도시바는 이러한 저전력을 무기로 차세대 차량용 시스템에 적용 가능한 기술로서 2028년도까지 실용화를 목표로 하고 있다.

이번에는 이징 머신 중에서도 도시바가 강점으로 삼는 ‘시뮬레이티드 분기 머신’을 활용했다. 병렬 계산 성능(병렬화 가능도)이 매우 높아, 다양한 조합 중에서 조건을 만족하는 해를 단시간에 찾을 수 있다. 이 특성을 활용해 다수 물체의 인식·추적을 저전력으로 실현할 수 있었다.

-- 양자 게이트 정밀도를 99.99% 이상으로 --
양자 게이트 방식 양자 컴퓨터를 위한 요소 기술 연구개발도 진행하고 있다. 이번에 양자 계산의 정밀도를 높이는 기술을 공개했다. 이 컴퓨터는 다양한 용도로 응용할 수 있지만, 전자기적 노이즈의 영향으로 계산 오류가 발생하기 쉽다. 그래서 양자 계산의 기본 연산인 양자 게이트의 정밀도를 높이는 기술을 개발하였다. 특히 일반적이며, 임의의 양자 계산에 필수적인 2큐비트 게이트에 초점을 맞췄다.

양자 컴퓨터에서는 양자 게이트의 정밀도가 99.99% 이상에 도달하면 실용화가 가능하다고 본다. 도시바는 양자 게이트 방식 중에서도 초전도형 양자 컴퓨터를 대상으로, 계산 정밀도를 향상시키는 소자 ‘더블 트랜즈몬 커플러(DTC)’를 개발 중이다. 이번 설명회에서는 그 중간 성과를 공개했다.

계산을 담당하는 두 개의 큐비트 사이에 DTC를 배치함으로써 2큐비트 게이트의 계산 정밀도를 높인다. 실제로 이화학연구소와의 공동 연구에서는 2큐비트 게이트 정밀도 99.90%라는 세계 최고 수준을 달성했다. 도시바는 2028년도까지 이를 99.99%까지 끌어올리는 것을 목표로 하고 있다.

2큐비트 게이트에서는 일반적으로 양자 계산의 정밀도와 속도가 트레이드오프 관계에 있다. 정밀도를 높이면 속도가 떨어지고, 속도를 높이면 정밀도가 떨어진다. DTC는 이러한 트레이드오프를 완화하는 역할을 한다.

양자 계산에서는 일반적으로 인접한 큐비트 간 결합 강도가 높을수록 큐비트 간 정보 교환(게이트 연산)에 드는 시간을 단축할 수 있다. 즉, 고속의 2큐비트 게이트를 실현할 수 있다.

하지만 결합 강도를 높일수록 결합을 ‘OFF’로 했을 때에도 인접 큐비트 간 불필요한 간섭(잔류 결합)이 발생한다. 이 간섭이 계산 속도를 저하시키는 오류의 원인이 되고 있었다. DTC를 사용해 이러한 간섭을 억제함으로써 안정적인 고속 동작을 지속하면서 높은 계산 정밀도를 달성했다.

-- 양자 키를 대륙 간으로 전달 --
도시바는 양자 통신에도 힘을 쏟고 있다. 이번에는 기존에 어려웠던 대륙 간 양자 암호 통신을 인공위성을 통해 가능하게 하는 기술을 개발했다. 이 기술에 대응하는 무선 통신기를 인공위성에 탑재할 수 있을 정도로 소형화했다. 2026년 1월에 발표된 내용으로, 이번에 그 상세 내용과 데모를 공개했다.

도시바는 양자 암호 통신 중에서도 양자 키 분배(QKD)라는 기술에 강점을 갖고 있다. QKD는 광자를 양자 키(암호 키)로 활용함으로써 양자 컴퓨터로도 해독할 수 없는 통신을 구현하는 기술이다. 저궤도를 이동하는 인공위성을 통해 양자 키를 전 세계에 전달함으로써 대륙 간 안전한 통신을 목표로 한다.

양자키는 일반적으로 광섬유를 이용해 광 신호로 전송한다. 전파 거리가 길어질수록 광 신호의 손실이 커지기 때문에 장거리 전송이 어렵다. 기존의 광통신에서는 광 증폭기를 중계기로 활용해 해저 케이블로 대륙 간 전송을 수행한다. 그러나 QKD에서는 양자 키를 중계할 때 양자 상태를 복제할 수 없다는 양자역학적 원리 때문에 기존 중계기를 사용할 수 없어, 고도의 전용 장치가 필요했다. 이에 따라 위성 QKD에서는 인공위성에서 레이저로 양자 키를 전송하고, 지상의 설비에서 이를 수신한다. 전송하려는 데이터는 기존과 동일하게 암호화하고, 지상에 있는 기존 통신망을 통해 원거리의 상대에게 전달한다. 이를 통해 대륙 간 양자 암호 통신이 가능해진다.

도시바는 이번에 양자 키를 전송하는 통신기를 소형·경량으로 개선했다. 외형 크기는 20cm×20cm×10cm, 무게는 1.6kg이다. 1GHz라는 높은 빈도로 양자 키를 생성·전송함으로써, 인공위성이 지상 수신 설비 상공을 통과하는 짧은 시간 동안에도 상대에게 양자 키를 전달할 수 있도록 한다.

도시바는 2026년도에 드론을 활용해 고도 100m에서 QKD 실증을 진행할 계획이다. 2027년도에는 고도 500km의 저궤도 위성과 지상을 연결하는 통신 실증을 완료할 계획이다.

-- QKD를 PQC로 보완 --
QKD를 보완하는 기술로서, 도시바는 양자내성암호(PQC)의 연구개발도 추진하고 있다. QKD는 “양자 상태를 복제할 수 없다”, “도청 시 상태가 변한다”는 양자역학의 물리적 특성을 활용함으로써, 원리적으로 양자 컴퓨터로는 해독할 수 없는 것으로 여겨진다. 다만 통신 인프라에는 전용 장비가 필요해 설치 비용과 시간이 소요된다. 따라서 QKD를 지원하는 통신 인프라를 구축할 수 있는 범위가 제한적이다.

이에 기존 통신 인프라를 활용할 수 있는 PQC를 병행함으로써, 양자 컴퓨터에 의한 암호 해독에 대한 내성을 가진 통신 범위를 확대한다. PQC는 기존 공개키 암호 방식의 연장선에 있는 기술이다. QKD처럼 물리적 특성에 기반한 암호 기술은 아니지만, 양자 컴퓨터가 어려워하는 수학적 문제를 활용함으로써 양자 내성을 확보한다.

도시바는 중요 시설 주변과 같이 높은 보안성이 요구되는 영역에는 QKD를, 그 외 영역에는 PQC를 적용하는 것을 상정하고 있다. 이러한 QKD와 PQC를 연계한 통신을 2030년도까지 실증할 계획이다. 이 목표를 달성하기 위해 PQC를 탑재한 통신 장비를 2027년도까지 실용화할 계획이다.

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