전기전자/정보통신

닛케이 일렉트로닉스_2605호 (p18-20)

도시바, 자율주행에 양자기술 적용
범용 반도체로 소비전력 10분의 1로
대륙 간 양자암호통신을 인공위성으로 가능하게

도시바가 양자 분야에서 잇따라 획기적인 성과를 내고 있다. 자율주행에 양자 계산을 적용해 소비전력을 대폭 줄이는 기술과, 대륙 간 장거리 전송이 가능한 양자암호통신 기술을 개발했다. 양자컴퓨터의 실용화에 필요한 높은 정확도를 구현할 수 있는 소자도 시제품으로 제작하는 등 양자 분야 사업 확대에 속도를 내고 있다.

도시바는 2026년 2월 5일, 자사 종합연구소에서 언론 관계자를 대상으로 기술설명회를 열어 다양한 연구개발 성과를 공개했다. 특히 많은 시간을 할애해 강조한 것은 양자기술 분야의 성과다. 설명회에 참석한 사다(佐田) 최고기술책임자(CTO)는 “새로운 산업 창출을 기대할 수 있다”고 말하며, 양자기술의 연구개발 의의를 강조했다. 본 기사에서는 설명회에서 공개된 주목할 만한 양자기술의 연구개발 성과 4가지를 소개한다.

-- 이미지 인식에 소요되는 소비전력을 1/10 이하로 --
양자컴퓨터는 크게 두 종류가 있다. 하나는 고전 비트(0 또는 1)와 고전 알고리즘을 계산에 이용하는 ‘양자 영감 최적화 컴퓨터(이징 머신)’이며, 다른 하나는 양자역학의 원리를 기반으로 범용 계산을 수행할 수 있는 양자 게이트 방식의 양자컴퓨터다. 그 중 ‘범용형’으로서 기대를 받고 있는 것은 양자 게이트 방식이다. 다만 실용화는 빨라도 2030년대가 될 것으로 보인다. 반면 이징 머신은 이미 실용화되었으며, 일부 용도에서는 기존 컴퓨터보다 뛰어난 연산 성능과 전력 효율을 달성하고 있다.

도시바의 사다 CTO는 “범용형 양자컴퓨터의 연구개발을 추진하고 있지만, 이징 머신으로 해결할 수 있는 문제도 많다”고 말하며, 2종류의 양자컴퓨터의 연구개발에 주력하겠다는 입장을 밝혔다.

도시바가 이징 머신의 적용 분야로 기대하고 있는 분야는 자동차다. 자율주행에 필수적인 이미지 인식에 적용하면 소비전력을 크게 줄일 수 있다. 특히 ‘레벨4’ 이상의 자율주행에서 요구되는 고부하 이미지 인식에서 위력을 발휘한다. 이러한 이미지 인식에서는 일반적으로 처리 성능이 1000TOPS(초당 1000조회) 이상인 차량용 SoC(시스템 온 칩)를 사용한다.

다만 소비전력은 수백 W(와트)에 달한다. 대용량 배터리를 탑재한 전기자동차(EV)에는 적용할 수 있지만, 하이브리드차(HEV)나 가솔린 차량에는 탑재하기 어렵다. HEV나 가솔린 차량에서는 차량용 SoC에 할당할 수 있는 전력이 수십 W 수준에 불과하다. 그 중에서도 장벽이 높은 것이 가솔린 차량이다. 대형 자동차 부품업체의 기술자는 “20W 이하가 바람직하다”고 설명한다.

도시바는 이징 머신을 적용해 수십 개의 객체를 동시에 인식·추적할 수 있을 뿐 아니라, 대상 물체가 장애물 뒤로 가려진 뒤에도 추적 가능한 고도의 이미지 인식을 20W 이하의 소비전력으로 구현했다. 이징 머신 회로를 일반적인 임베디드 장치용 FPGA(Field Programmable Gate Array)에 구현하고, 미국 엔비디아의 SoC를 탑재한 컴퓨터 보드 ‘Jetson Orin Nano’와 결합했다.

Jetson Orin Nano는 Jetson Orin 시리즈 가운데 소비전력이 최대 약 15W로 낮은 제품이다. 수십 개의 객체를 동시에 인식·추적했을 때 FPGA의 소비전력은 약 3.4W이며, 합산해도 20W를 넘지 않는다. 도시바는 이러한 저전력을 무기로, 차세대 차량용 시스템에 적용 가능한 기술로서 2028년도까지 실용화할 계획이다.

이번에는 이징 머신 중에서도 도시바가 강점을 가진 ‘시뮬레이티드 분기 머신’을 활용했다. 병렬 계산 성능(병렬화 가능도)이 매우 높아 다수의 조합 중에서 조건을 만족하는 해를 단시간에 쉽게 찾을 수 있다. 도시바는 이 특성을 활용해 여러 객체의 인식·추적을 저전력으로 실행할 수 있었다.

-- 정확도를 99.99% 이상으로 --
양자 게이트 방식의 양자컴퓨터를 위한 핵심 기술의 연구개발도 진행하고 있다. 이번에 양자 계산의 정확도를 높이는 기술을 선보였다. 이 컴퓨터는 다양한 용도에 활용할 수 있지만, 전자기적 노이즈의 영향으로 계산 오류가 발생하기 쉽다. 이를 해결하기 위해 양자 계산에 필요한 기본 조작인 양자 게이트의 정확도를 높이는 기술을 개발했다. 그 중에서도 일반적이며, 임의의 양자 계산에 필수적인 2큐비트 게이트를 대상으로 한 기술이다.

양자컴퓨터에서는 양자 게이트의 정확도를 99.99% 이상으로 끌어올리면 실용화가 가시권에 들어오는 것으로 본다. 도시바는 양자 게이트 방식 중에서도 초전도형 양자컴퓨터를 위해 계산 정확도를 높이는 소자 ‘더블 트랜스몬 커플러(DTC)’를 개발 중이다. 이번 설명회에서는 그 개발 상황을 공개했다.

계산을 담당하는 2개의 큐비트 사이에 DTC를 배치하여 2큐비트 게이트의 계산 정확도를 높인다. 실제로 이화학연구소(RIKEN)와 수행한 공동 연구에서는 세계 최고 수준인 99.90%의 정확도를 2큐비트 게이트에서 달성했다. 2028년도까지 정확도를 99.99%로 끌어올리는 것을 목표로 하고 있다.

2큐비트 게이트에서는 일반적으로 양자 계산의 정확도와 속도가 트레이드오프 관계에 있다. 정확도를 높이면 속도가 감소하고, 속도를 높이면 정확도가 떨어진다. DTC는 이러한 트레이드오프를 완화하는 역할을 한다.

양자 계산을 할 때, 일반적으로 인접한 큐비트 간의 결합 강도가 높을수록 큐비트 간에 정보를 교환하는(게이트 조작을 수행하는) 시간을 단축할 수 있다. 즉, 고속 2큐비트 게이트를 실현할 수 있다.

다만 결합 강도를 높일수록 결합을 ‘오프’ 상태로 유지하는 동안에도 인접한 큐비트에서 불필요한 간섭(잔류 결합)이 발생한다. 이 간섭이 계산 속도를 저하시키는 오류의 원인이 되고 있었다. DTC를 활용해 간섭을 방지하고, 안정적인 고속 동작을 지속시켜 높은 계산 정확도를 달성했다.

-- 양자키를 대륙 간에 전송 --
도시바는 양자통신에도 힘을 쏟고 있다. 이번에 기존에는 어려웠던 대륙 간 양자암호통신을 인공위성을 통해 가능하게 하는 기술을 개발했다. 이 기술을 구현하는 무선통신기를 인공위성에 탑재할 수 있을 정도로 작게 만들었다. 2026년 1월에 발표됐으며, 이번에 그 상세 내용과 데모를 공개했다.

도시바는 양자암호통신 중에서도 양자키분배(QKD)라는 기술에 강점을 갖고 있다. QKD는 광자를 양자키(암호키)로 이용함으로써 양자컴퓨터로도 해독할 수 없는 통신을 구현하는 기술이다. 저궤도를 이동하는 인공위성을 통해 양자키를 세계 각지에 전달함으로써 대륙 간 안전한 통신을 목표로 한다.

양자키는 일반적으로 광섬유를 이용해 광신호로 전송한다. 하지만 전파 거리가 길어질수록 광신호의 손실이 커져 장거리 전송이 어려워진다. 기존의 광통신에서는 광증폭기를 중계기로 사용해 해저케이블로 대륙 간을 전송한다. 그러나 QKD에서는 양자키를 중계할 때 양자 상태를 복사할 수 없다는 양자역학적 원리 때문에 기존의 중계기를 사용할 수 없으며, 고성능 전용 장비가 필요했다. 그래서 위성 QKD에서는 인공위성이 레이저를 이용해 양자키를 지상으로 전송하고, 지상 설비에서 이를 수신한다. 전송하고자 하는 데이터는 기존과 같이 암호화한 뒤 지상의 기존 통신 경로를 이용해 원격지의 상대에게 보낸다. 이를 통해 대륙 간 양자암호통신이 가능해진다.
 

이번에 양자키를 전송하는 통신기를 소형·경량화했다. 크기는 20cm×20cm×10cm, 무게는 1.6kg이다. 1GHz라는 높은 빈도로 양자키를 생성·전송함으로써, 인공위성이 지상 설비의 상공을 지나가는 짧은 시간에도 양자키를 상대에게 전달할 수 있도록 한다.

도시바는 2026년도에 드론을 이용해 고도 100m에서 QKD를 실증한다. 2027년도에는 고도 500km의 저궤도 위성과 지상을 연결하는 통신 실증을 완료할 계획이다.

-- QKD를 PQC로 보완 --
도시바는 QKD를 보완하는 기술로 양자내성암호(PQC)의 연구개발에도 힘쓰고 있다. QKD는 ‘양자 상태를 복사할 수 없다’, ‘도청하면 원래의 양자 상태가 변한다’는 양자역학의 물리적 특성을 활용하기 때문에 원리적으로 양자컴퓨터로 해독이 불가능한 것으로 알려져 있다. 다만 통신 인프라에는 전용 장비가 필요해 설치에 비용과 시간이 소요된다. 따라서 QKD를 지원하는 통신 인프라를 구축할 수 있는 범위는 제한적이다.

이에 기존의 통신 인프라를 활용할 수 있는 PQC를 병행 사용해, 양자컴퓨터에 의한 암호 해독에 내성을 갖는 통신 범위를 확대한다. PQC는 기존 공개키 암호 방식의 연장선에 있는 기술이다. QKD와 같이 물리적 특성에 기반한 암호 기술은 아니지만, 양자컴퓨터가 풀기 어려운 수학적 문제를 채택함으로써 양자 내성을 확보하고 있다.

도시바는 중요시설 주변 등 높은 보안성을 요구하는 구역에는 QKD를, 그 외 구역에는 PQC를 적용할 것으로 예상한다. 도시바는 이러한 QKD와 PQC를 연계한 통신을 2030년도까지 실증할 계획이다. 이 목표를 달성하기 위해 PQC를 구현한 통신 장비를 2027년도까지 실용화할 계획이다.

 -- 끝 --
 

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닛케이 일렉트로닉스_2605호 목차

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