미래기술/미래전망/첨단산업

NTT 기술저널_2023.4 특집 요약

양자기술 이노베이션을 향한 도전

NTT 첨단기술종합연구소의 양자 관련 기술인 광(光)양자컴퓨터, 초전도 큐비트(Qubit), 광격자시계(Optical Lattice Clock), 양자 알고리즘, 양자키 배송, 양자 네트워크 기술의 기초연구를 소개하는 본 특집에서는 양자컴퓨팅뿐만 아니라. 센싱 및 네트워크에 대해서도 설명한다.

목차

1. 양자기술 이노베이션에 대한 기대와 전망
양자기술을 둘러싼 동향 및 NTT의 양자컴퓨팅, 양자센싱, 양자 네트워크에 대한 실험 및 이론의 양 측면에서 폭넓게 소개한다.

2. 연속 광양자컴퓨터 개발을 위한 광 기술
NTT가 목표로 하고 있는 광섬유 통신 기술을 기초로 한 광양자컴퓨터 개발 활동과 양자광원(Quantum light source) 등 광 기술 동향에 대해 소개한다.

3. 초전도 양자회로를 기반으로 한 양자정보 기술
고감도 및 고공간 분해능의 전자 스핀 공명 측정 장치와 극저온에서 동작하는 미세한 고감도 온도계, 공진기 중의 다자유도를 활용해 양자 오류를 정정하는 보소닉 큐비트(Bosonic Qubit)에 대해 소개한다.

4. 중력 퍼텐셜 센싱망을 위한 광격자시계 네트워크 기술
광격자시계 네트워크의 요소 기술을 소개하고, 수도권 지역에 구축된 초고정밀도 광 주파수 기준 전송의 광 링크와 그 전송 정밀도에 대한 평가 실험에 대해 소개한다.

5. 양자컴퓨터의 능력을 이끌어내는 양자 알고리즘과 그 검증 기술
양자 알고리즘과 그것을 뒷받침하는 양자회로 최적화 기술 및 그 신뢰성을 높이기 위한 검증 기술에 관한 최신 성과에 대해 소개한다.

6. 양자키 배송의 고성능화를 위한 활동
NTT의 최신 연구개발 활동인 다치(多値) 정보를 이용한 양자키 배송(고차원 양자키 배송)과 그 오류 내성 향상 기술에 대해 소개한다.

7. 양자 인터넷을 목표로
양자 인터넷이란 무엇인가, 그 실현에는 어떤 것이 필요한가에 대해 설명. 최신 동향에 대해서도 소개한다.

양자 기술 이노베이션에 대한 기대와 전망

NTT연구소에서는 양자컴퓨터에 대한 연구가 활발해지기 전인 1980년대 중반부터 양자 정보를 비롯한 다양한 양자 관련 기술들에 대한 기초연구를 추진해왔다. 본 특집에서는 최신 양자 기술을 둘러싼 세계 동향과 NTT 양자기술 연구의 포트폴리오를 소개한다. 또한 양자컴퓨팅뿐만 아니라. 양자센싱, 양자 네트워크에 대해서도 실험과 이론의 양 측면에서 폭 넓게 설명한다.

■ 양자 기술을 둘러싼 동향
제 1차 양자컴퓨터 붐은 1994년에 발표된 쇼어 알고리즘(Shor’s algorithm)이 공개키 암호를 기반으로 하고 있는 IT 사회의 안전성을 위협할 가능성이 있다는 경고가 계기였다.

이후, 학술계를 중심으로 다양한 물리계열에서의 큐비트 동작 실험과 양자 오류 정정 이론 구축 등 수많은 중요한 진전이 있었다. 2010년경에는 양자컴퓨터를 만드는 데 있어서의 기술적 어려움이 널리 인식되게 되면서 양자컴퓨터에 대한 과도한 기대감은 낮아졌다.

한편, 2011년에 D웨이브가 기존과는 전혀 다른 양자 어닐링 기술을 이용한 조합 최적화 문제 전용 머신(양자 어닐러)을 발표해 관계자들에게 큰 충격을 안겼다.

2014년경에 초전도 큐비트의 성능이 크게 향상된 것을 계기로, 구글, IBM, 마이크로소프트 등의 IT 기업들이 양자컴퓨터 연구개발에 본격적으로 참여하면서 제 2차 양자컴퓨터 붐이 단번에 활성화되고, 이후 벤처 투자도 계속 증가. 붐은 지금도 지속되고 있다.

양자컴퓨터, 양자 보안, 양자센싱과 같은 양자 기술에 대한 연구개발은 안보 관점도 포함해 전세계적으로 뜨거운 경쟁의 한 가운데 있다. 2015년경에는 유럽과 중국이 양자 전략을 내걸고 공적 지원을 크게 확충하기 시작했다.

일본의 경우 이보다 수 년 뒤처지긴 했지만, 2020년에 ‘양자기술 이노베이션 전략’, 2022년에는 산업 성장 기회 창출과 사회 과제 해결을 위해 ‘양자 미래사회 비전’을 수립했다.

2021년에는 산업계를 중심으로 세계적인 ‘양자 기술 이노베이션 입국(立國)’을 목표로 하는 ‘양자 기술을 통한 신산업 창출 협의회(Q-STAR)’가 설립. 양자 기술의 사회 구현을 위한 활동이 가속화되고 있다.

■ 양자의 기본 성질과 응용 영역
그림 1은 우리가 살고 있는 세계는 뉴턴 역학으로 대표되는 고전역학으로 기술되는, 즉, 실제로 눈으로 보고 만져 실감할 수 있는 것인 데 반해 원자나 전자의 움직임으로 대표되는 양자 세계는 양자 역학 하에 존재 확률의 파장을 표현하는 수식으로 정의되기 때문에 우리들의 상식이나 경험과는 거리가 멀다는 것을 설명하고 있다.

양자는 원자나 전자와 같은 극히 미세한 것뿐만 아니라, 빛이나 비교적 크기가 큰 초전도 양자회로 등 다양한 종류가 존재한다. 종류가 달라도 ‘이중성’, ‘양자중첩’, ‘양자얽힘’과 같은 공통된 특징을 가지고 있다. 이중성이란 입자와 파동의 성질을 동시에 갖는다는 것이다.

양자중첩이란 하나의 상태이지만 0과 1 두 가지 값을 가질 수 있다는 것. 양자얽힘은 양자 상태는 확정할 수 없지만, 2개의 양자 간 관계성만은 정해져 있는 상태를 말한다. 2개의 양자가 하나는 지구, 다른 하나는 우주 끝에 떨어져 있다고 하더라도 한쪽을 측정하면 동시에 다른 한쪽에도 영향을 미치는 현상이다.

이러한 양자얽힘의 불가사의한 움직임에 대해 1935년, 아인슈타인은 그것은 아직 이론이 불충분하기 때문이라는 논문을 발표했다. 이후, 80년 간 많은 이론가들과 실험가들이 논쟁한 끝에 2015년, ‘양자얽힘은 실제로 존재한다’라는 최종 결론이 나왔다.

또한 이 논쟁에 있어서의 중요한 업적은 2022년의 노벨 물리학상에 선정되었다. 양자의 불가사의한 특징을 활용하면 대용량, 고정밀, 고신뢰, 에너지 효율을 실현하는 기술로 이어질 것이라는 기대로 다양한 분야에서의 이노베이션 가능성이 주목 받고 있다.

양자의 활용 영역은 ①양자를 비트로써 고속 계산에 사용하는 양자컴퓨팅, ②양자의 복제가 불가능하다는 성질을 이용해 안전을 보증하는 양자통신 및 양자 보안, ③양자가 외부 환경에 민감하다는 성질을 이용해 고감도로 감지하는 양자센싱, ④양자적 움직임이 발현되는 환경을 만들어내는 양자 머티리얼 및 양자 특유의 기능을 활용하는 양자 디바이스 등 크게 4가지이다.

■ 각 양자 기술의 최신 동향

- 양자컴퓨터
양자컴퓨터는 다양한 알고리즘이 가능하고, 범용 컴퓨터가 될 수 있는 ‘게이트(Gate) 타입’과 조합의 최적화 문제를 푸는 전용 솔버인 ‘이징(Ising) 타입’으로 크게 구분된다.

게이트형은 초전도, 이온트랩 방식과 함께 복수의 기업들이 상용 기기를 발표했지만, 아직 소규모 문제밖에는 풀 수 없는 상황이다. 이 외에도 중성원자, 광양자, 반도체 큐비트 등 다양한 방식에 대한 연구개발도 활발하게 추진되고 있다. 한편, 이징 타입은 어느 정도 규모의 실제 문제를 풀 수 있는 레벨까지 실용화가 추진되고 있다.

또한, NTT가 개발 중인 코히어런트 이징 머신인 LASOLV는 10만 노드의 특정 조합 최적화 문제를 디지털 머신보다 약 1,000배 고속으로 풀 수 있다. 디지털 기술을 이용한 양자 어닐링 전용 기기도 복수의 기업들에 의해 상용화되었으며, 일본의 존재감이 강한 영역이다.

NTT가 독자적인 지표로 정리한 양자컴퓨터 개발의 조감도를 살펴보면, 현재의 게이트형은 NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum Computer: 노이즈가 있는 중간 규모의 양자컴퓨터)라고 불리며, 오류 정정 기능이 없기 때문에 용도가 제한되어 있다.

양자 오류 정정을 구현하기 위해서는 수 십~1만 개의 큐비트를 조합해 하나의 논리 큐비트로 이용해야 하기 때문에 대규모 집적화와 큐비트 칩 간을 양자 네트워크로 접속하는 것이 필요하다. 또한, 냉각기의 대형화, 제어계의 복잡화 등 기술적으로 어려운 과제도 다수 존재한다. 이러한 이유로 인해 유력한 큐비트가 어떤 것이 될지는 아직 불투명한 상황이다.

초전도형은 소자의 크기가 크기 때문에 1,000큐비트 이상의 집적화에는 적합하지 않으며, 한 층 더 고집적화하기 위한 방법으로 반도체 가공 기술을 이용한 실리콘 큐비트가 기대되고 있다. 또한, 시간축 상에 대량의 큐비트를 배치할 수 있는 광양자 방식도 검토가 추진되고 있다.

토폴로지(Topology, 위상학)라고 하는 물리 고유의 안정된 성질로 인해 오류 정정이 불필요한 토폴로지컬 양자컴퓨터도 주목 받고 있다. 이와 같은 하드웨어 개발뿐만 아니라, 양자컴퓨터의 고속성을 활용하기 위한 양자알고리즘 연구개발도 활발하게 추진되고 있다.

- 양자통신 및 양자 보안
일본에서는 총무성이 중심이 되어 TOKYO-QKD라고 불리는 양자암호 테스트베드를 2010년에 세계 최초로 설립함으로써 양자암호통신과 관련해 일본은 세계적으로 높은 기술력을 보유하고 있다. 또한 게놈 정보, 전자 진료카드, 금융 거래 등의 실증실험도 추진되고 있다.

한편, 중국은 상하이에서 베이징까지 2,000km의 장거리 양자 암호망을 정비했으며, 인공위성을 이용해 더욱 그 길이를 확대하려 하고 있다. 빛의 최소 단위인 단일 광자라고 하는 매우 강도가 약한 빛을 사용할 필요가 있는 양자암호는 광섬유의 전송 손실 때문에 전송 거리에 제한이 있으며, 실제 이용에는 100km 정도가 한계라고 알려져 있다.

또한, 미국을 중심으로 양자컴퓨터로도 풀 수 없는 암호 PQC(Post-Quantum Cryptography: 양자내성암호) 개발도 추진, 양자암호와 PQC 등의 현대 암호를 결합한 하이브리드 방식도 개발되고 있다.

미래 기술인 양자인터넷 실현을 위해서는 양자중계 기술이 필수로, 수신한 양자 상태를 유지하기 위한 양자메모리가 활발하게 연구되고 있다. 한편, 양자메모리를 사용하지 않는 전광형(全光型) 양자중계 방식 실증도 추진되고 있다.

- 양자센싱∙양자디바이스∙양자머티리얼
양자센싱에는 다양한 종류가 있으며, 예를 들어, 실온에서도 양자 효과가 존재하는 다이아몬드NV(Nitrogen-Vacancy)센터를 통해 자장이나 온도 등을 기존형 센서에 비해 고감도로 검출할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

양자센싱을 의료 및 신약개발에 응용하는 움직임도 활발하며, 동위체 제어를 실시한 원소를 포함한 물질과 핵 스핀 초편극 기술을 결합해 약제의 효과를 MRI를 통해 실시간으로 관찰할 수 있는 기술 등이 급속도로 하고 있다.

이 밖에도 광자이로(Fiber Optic Gyro)보다도 이론적으로 성능이 10억 배 향상되는 원자파 간섭계에 의한 양자 관성 센서과 초고정밀도 시계(광격자시계) 개발이 진행되고 있다.

양자 디바이스로는 단일 광자 및 얽힘 광원과 고감도의 광검출기, 단전자 디바이스, 스핀제벡(Spin Seebeck) 소자 등이 주목 받고 있으며, 양자 머티리얼로는 다이아몬드NV센터, 큐비트, 토포로지컬 재료 및 양자층 물질 등이 주목 받고 있다.

■ 양자 기술의 향후 전망
지금까지 설명한 바와 같이 현재의 디지털 컴퓨터 계산 능력을 능가하는 양자컴퓨터 실현은 아직 먼 이야기지만, 양자암호, 양자센싱은 코스트 측면을 해결한다면 조기의 사회 구현이 가능할 것으로 기대되고 있다.

향후에는 양자컴퓨터 간이나 양자센서와 양자컴퓨터를 양자적으로 접속시키는 니즈가 상정되며, 이를 위해서는 양자 인터넷이라고 불리는 양자 상태를 전송할 수 있는 네트워크가 필요하다.

하지만 현재의 인터넷 구조로는 양자 상태를 처리할 수 없기 때문에 IOWN(Innovation Optical and Wireless Network) APN(All-Photonics Network) 등의 획기적인 인프라의 중요성이 점점 더 높아질 것으로 예상된다.

또한 양자컴퓨팅은 원리적으로 에너지를 사용하지 않은 연산이라는 점에서 IT 사회의 에너지 소비 관점에서도 중요하다.

본 특집에서는 NTT 양자 기술의 대표 사례로 광양자컴퓨터, 초전도 큐비트에 의한 양자 정보 기술, 광격자시계 네트워크, 양자컴퓨터의 고속 알고리즘, 양자키 배송의 고성능화, 전(全)광양자 인터넷에 관해 상세하게 설명한다.

 -- 끝 --