양자 도약: 세계 최초 하이브리드 양자‑광칩

투자가 급증하고 돌파구가 늘어남에 따라, 양자 기술이 현실에 다가온 것이 그 어느 때보다 가깝습니다. 

맥킨지에 따르면, 양자 기술의 세 가지 주요 축인 양자 컴퓨팅, 양자 통신, 그리고 양자 센싱이 합쳐져 향후 10년 내에 전 세계적으로 $97 billion 매출을 창출할 수 있습니다.

이 기술은 양자 역학의 원리를 활용하여 기존 고전 기술의 한계를 뛰어넘는 혁신적인 기술들을 창출합니다.

양자 기술을 개발하는 유망한 방법 중 하나는 광학(포토닉스)입니다. 이는 얽힘 전송을 위한 광학 인터커넥트와 자연스럽게 호환되고, 실온에서의 탈동조에 강하며, 칩 규모로 축소할 수 있기 때문입니다.

포토닉스는 빛(광자)의 과학으로, 빛의 생성, 탐지 및 조작을 다양한 응용 분야에 적용합니다.

양자‑포토닉 시스템의 경우, 실리콘 포토닉스가 가장 확장 가능한 플랫폼을 제공합니다. 이는 이미 대량 생산되는 반도체 제조 기술인 CMOS(상보성 금속‑산화물‑반도체) 공정을 이용해 제작할 수 있습니다.

실리콘 포토닉스는 곧 수많은 물리적 큐비트를 생성하여 소형 광학 장치에서 유용한 양자 정보 처리를 가능하게 할 수 있지만, 이러한 실리콘 양자‑포토닉 집적 회로를 실제로 구축하는 데는 심각한 과제가 존재합니다.

문제는 열 교차 간섭, 자유 전자 및 자체 가열 비선형성, 그리고 온도와 공정 변동에 대한 극도의 민감성을 관리해야 한다는 점에 있습니다.

실리콘 양자 포토닉 장치가 정상적으로 작동하려면 전자 회로에 의한 지속적인 모니터링과 제어가 필요합니다. 따라서 부피가 큰 오프‑칩 전자 장치를 사용해 일부 문제를 해결했지만, 이는 칩‑스케일 플랫폼의 많은 장점을 포기하는 결과를 낳았습니다. 

실리콘 포토닉스를 양자 정보 처리 플랫폼으로서 완전한 잠재력을 실현하려면, 고전적인 제어 병목 현상을 해소해야 합니다.

이에 따라, 학제간 연구팀은 전자‑포토닉 양자 시스템‑온‑칩을 소개했습니다. 이 시스템은 상업용 45 nm CMOS 마이크로 전자 파운드리에서 제작되었습니다.

이것은 전자, 포토닉스, 그리고 양자 파워를 결합한 세계 최초의 하이브리드 칩입니다. 

CMOS를 사용한 점은 연구의 가치를 더욱 높입니다. 이 반도체 기술은 현대 전자의 기반이며, 삼성, 소니, 인텔, TSMC와 같은 기업이 대량 생산에 활용하고 있습니다.

45 nm 공정은 검증된 비용 효율적인 기술이며, 실리콘 제조 인프라와도 호환됩니다.

팀이 제시한 완전 통합형 모듈식 제어 접근 방식은 “실리콘 양자 포토닉스가 차세대 양자 정보 시스템에 필요한 대규모 확장을 달성하도록 길을 열어준다”는 의미입니다.

학제간 협업이 양자 기술을 현실에 한 걸음 더 다가가게 하다

UC 버클리, 보스턴 대학교, 그리고 노스웨스턴 대학교 연구진이 수행한 최신 연구는 양자 기술 분야에서 중요한 돌파구를 의미합니다.

“이 작업에 필요한 학제간 협업이 바로 양자 시스템을 실험실에서 확장 가능한 플랫폼으로 옮기는 데 필요한 핵심입니다. 전자, 포토닉스, 그리고 양자 측정 분야의 결합 없이는 이룰 수 없었습니다.”

– 노스웨스턴 전기·컴퓨터 공학 교수 프렘 쿠마르

이 연구는 미국 국립 과학 재단(National Science Foundation)의 지원을 받았습니다. Nature Electronics에 발표된 연구는¹ 표준 45 nm 반도체 공정을 이용해 단일 실리콘 칩에 양자 광원과 안정화 전자를 성공적으로 통합한 시스템을 상세히 다룹니다.

이 조합이 바로 칩이 지속적으로 상관된 광자 쌍을 생성하게 하며, 이는 다양한 양자 응용의 기반이 됩니다.

각 실리콘 칩에는 “양자 광 공장”이라 불리는 12개의 독립적인 양자 광원이 배열되어 있으며, 레이저 빛에 의해 구동됩니다. 이들은 마이크로링 공진기를 이용해 광자 쌍을 생성합니다. 각 광원의 크기는 모든 방향에서 1 mm 미만입니다.

이는 여러 칩이 상호 연결된 보다 복잡한 양자 시스템과 “양자 광 공장” 칩의 대량 생산을 향한 중요한 단계입니다. 보스턴 대학교 전기·컴퓨터 공학 부교수이자 본 연구의 선임 저자인 밀로시 포포비치가 말했습니다:

“양자 컴퓨팅, 통신, 센싱은 개념에서 현실로 가는 수십 년에 걸친 여정에 있습니다. 이는 그 여정의 작은 단계이지만, 상업용 반도체 파운드리에서 반복 가능하고 제어 가능한 양자 시스템을 구축할 수 있음을 보여주기 때문에 중요합니다.”

현재 초기 단계에 있는 양자 기술은 0 또는 1인 고전 비트 대신 양자 비트(큐비트)를 활용합니다.

이 큐비트는 두 상태가 동시에 중첩될 수 있어 양자 컴퓨터가 병렬 계산을 수행하게 하며, 그 결과 엄청난 속도 향상이 가능합니다. 여기서 중첩은 양자 시스템이 동시에 여러 상태에 존재하는 현상을 의미합니다.

실시간 자체 튜닝으로 확장성 코드를 해독하다

양자 기술을 적용하는 다양한 방법이 존재하며, 그 중 하나가 광학(포토닉스)입니다. 여기서는 제어된 빛 흐름, 단일 광자, 혹은 얽힌 광자 쌍이 기능 수행에 필요합니다. 

이러한 지속적인 양자 광 흐름은 마이크로링 공진기와 양자점과 같은 장치를 이용해 생성됩니다.

마이크로링 공진기는 칩 위에서 양자 광 상태를 생성할 수 있도록 정밀 설계된 포토닉스 장치이며, 나노미터 규모에서 빛을 효율적으로 유도하는 핵심 요소입니다. 이는 빛을 원형으로 순환시켜 목표 파장(공명)에 도달하도록 합니다.

광자 쌍 형태의 양자 광 흐름을 생성하려면, 마이크로링 공진기는 각 양자 광 “공장”에 전력을 공급하는 레이저 빛과 동기화되어야 합니다. 이 레이저는 생성 과정의 연료 역할도 합니다.

하지만 공진기는 온도와 제조 공정의 변동에 매우 민감해 동기화가 어긋나면 양자 광 생성이 방해받을 수 있습니다.

이러한 방해를 방지하기 위해, 연구팀은 칩 위에 통합된 시스템을 구축해 양자 광원을 실시간으로 안정화했습니다. 특히, 상관된 광자를 생성하는 공진기에 초점을 맞추었습니다. 이러한 광원은 각 칩에 존재하며 병렬로 작동합니다. 

“가장 흥미로운 점은 제어를 칩에 직접 삽입해 실시간으로 양자 과정을 안정화했다는 것입니다. 이는 확장 가능한 양자 시스템을 향한 중요한 단계입니다.”

– 노스웨스턴 박사과정 학생 아누루드 라메시, 양자 측정 담당

흥미롭게도, 마이크로링 공진기의 극한 민감도 자체가 양자 광원 구축의 기반이며, 작은 온도 변화조차도 광자 쌍 생성 과정에 큰 영향을 미칩니다. 

이 문제를 해결하기 위해 연구진은 실시간 제어 시스템을 칩에 직접 삽입했습니다. 각 공진기에 포토다이오드를 특정 방식으로 통합해 레이저와의 정렬을 모니터링하면서 양자 광 생성은 유지했습니다.

동시에 미니어처 히터와 칩 내 제어 로직이 드리프트에 대응해 공진을 지속적으로 조정합니다. 따라서 환경이 변동해도 내장된 피드백 루프가 양자 광 생성 과정을 예측 가능하게 유지합니다.

이 자체 튜닝 덕분에 12개의 공진기가 별도 대형 장비 없이 완벽히 동기화되어 작동합니다. 이는 양자 시스템을 확대하기 위한 핵심 요구 사항입니다. 보스턴 대학교 박사과정 학생이자 광학 장치 설계 담당인 임베르트 왕은 이렇게 말했습니다:

“이전 작업과 비교해 가장 큰 도전은 상업용 CMOS 플랫폼의 엄격한 제약 내에서 양자 광학의 요구 사항을 충족하도록 포토닉스 설계를 추진하는 것이었습니다. 이를 통해 전자와 양자 광학을 하나의 통합 시스템으로 공동 설계할 수 있었습니다.”

전체 시스템은 보스턴 대학교, UC 버클리, GlobalFoundries, 그리고 Ayar Labs가 협력해 개발한 상업용 45 nm CMOS 칩 플랫폼에서 제작되었습니다. 스타트업 Ayar Labs는 빛 펄스를 이용한 칩 기술을 개발하고 있으며, AMD Ventures, Intel Capital, Nvidia로부터 1 억 달러 규모의 투자(1억 5천5백만 달러)와 10억 달러 평가액을 확보해 “대량 생산 단계에 진입할 수 있는 기반을 마련했습니다.”

이 제조 공정은 AI와 슈퍼컴퓨팅을 위한 고급 광 인터커넥트를 가능하게 하며, 이제 확장 가능한 실리콘 플랫폼 위에 복잡한 양자 포토닉 시스템을 구현할 수 있게 되었습니다.

“우리 목표는 복잡한 양자 포토닉 시스템을 완전히 CMOS 칩 내에서 구축하고 안정화할 수 있음을 입증하는 것이었습니다. 이를 위해 일반적으로 소통이 적은 분야 간의 긴밀한 협력이 필요했습니다.”

– UC 버클리 박사과정 학생 다니엘 크라믹, 칩 설계·패키징·통합 담당

칩이 이미 사용 중인 기술을 기반으로 하기 때문에 새로운 설비를 만들 필요가 없으며, 이는 확장 가능한 양자 컴퓨팅을 위한 길을 열어줍니다.

양자 시스템에 투자하기 

양자 기술 분야는 매년 빠르게 진전하고 있으며, 현실에 점점 더 가까워지고 있습니다. 여기서 International Business Machines (IBM )는 특히 양자 컴퓨팅 분야에서 선두를 달리고 있습니다. 최근 IBM® 연구진과 양자 스타트업 Pasqal이 백서²를 발표했으며, 여기서 양자 우위의 정의, 과학적 검증 방법, 그리고 이를 달성하기 위한 방안을 제시했습니다.

International Business Machines (IBM )

이번 달 IBM Quantum은 모더나와 협력해 양자 시뮬레이션으로 mRNA 구조를 모델링했습니다. 이를 위해 IBM Quantum Heron 프로세서의 80 큐비트를 사용해 “인류 건강 개선”을 목표로 한 특수 알고리즘을 실행했습니다.

“우리는 오늘 사용할 수 있는 모든 도구, 특히 양자 컴퓨팅을 탐구하는 것이 중요하다고 믿습니다. 기술이 완전히 성숙하기를 기다리기보다 현재 우리의 진보를 확장해야 합니다.”

– 모더나 양자 알고리즘·응용 담당 부과학 이사 알렉세이 갈다

지난 달 IBM은 세계 최초 대규모 양자 컴퓨터를 구축한다는 대규모 발표를 했으며, 이는 2029년에 고객에게 제공될 예정입니다.

내결함 양자 컴퓨터인 IBM Starling은 기존 양자 컴퓨터보다 20 000배 더 강력하며, “세계 최고의 슈퍼컴퓨터 수천 개의 메모리를 필요로 할 정도”라고 평가됩니다.

회사 로드맵에 따르면, Starling의 도입은 여러 단계에 걸쳐 진행되며, 내년에는 ‘양자 우위’ 시연이 첫 번째 목표이며, 양자 컴퓨터가 실제 응용 분야에서 고전 컴퓨터를 능가하기 시작할 것입니다.

하지만 그 전에 IBM Quantum Loon이 올해 말에 Nighthawk 칩과 함께 출시될 예정이며, 내년에는 IBM Quantum Kookaburra가 모듈형 프로세서를 탑재해 인코딩된 정보를 저장·처리할 예정입니다. 이어서 IBM Quantum Cockatoo가 그 다음 해에 출시될 예정이며, 이 아키텍처는 “대규모 시스템 내에서 노드처럼 양자 칩을 연결해 비현실적인 대형 칩을 만들 필요를 없앨 것”이라고 설명했습니다.

이러한 발표들은 10년이 끝나기 전에 Starling을 출시하는 데 기여할 것이며, 이 혁신은 “2 억 개의 양자 연산을 200 논리 큐비트로 수행”하는 것을 목표로 합니다.

Starling을 통해 IBM은 실제 세계 문제를 해결하고자 하며, 이는 양자 기술이 아직 달성하지 못한 목표입니다. CEO 아르빈드 크리슈나는 이 양자 컴퓨터가 “비즈니스에 막대한 가능성을 열어줄 것”이라고 밝혔습니다.

로드맵에 따르면, IBM의 양자 컴퓨팅 목표는 Starling을 넘어 확장됩니다. Blue Jay는 2세대 내결함 양자 컴퓨팅 ISA로, 2033년 이후에 도입될 예정이며, 그때는 10 억 게이트와 2 천 논리 큐비트 규모로 확장될 수 있습니다.

시가 총액 2 620억 달러에 달하는 IBM은 글로벌 하이브리드 클라우드·AI·컨설팅 분야의 선두 기업이며, 현재 주가는 265 달러 이상으로 연초 대비 28.29% 상승했습니다. 배당 수익률은 2.38%입니다.

가장 최근에 IBM은 2025년 2분기 실적을 발표했으며, 매출이 8% 증가해 170 억 달러, 영업 현금 흐름이 61 억 달러, 자유 현금 흐름이 48 억 달러에 달했습니다.

“우리는 이번 분기에 매출, 이익, 자유 현금 흐름 모두 기대치를 다시 한 번 초과했습니다. IBM은 깊은 혁신과 도메인 전문성을 바탕으로 시장에서 높은 차별성을 유지하고 있으며, 이는 고객이 AI를 배포·확장하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 우리의 생성 AI 사업 포트폴리오는 가속화되고 있으며 현재 75 억 달러를 넘어섰습니다.”

– CEO 크리슈나

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Conclusion

양자 기술은 빠르게 발전하고 있으며, 하이브리드 양자‑전자‑광칩과 같은 돌파구 덕분에 개념 단계에서 확장 가능한 산업으로 전환하고 있습니다. 

양자 광원, 안정화 전자, 그리고 대량 생산 가능한 제조 공정을 하나의 칩에 통합함으로써, 이 연구는 양자 미래를 위한 청사진을 최적화된 형태로 제시했습니다. 그리고 양자 포토닉 시스템이 진전됨에 따라, 이러한 최신 하이브리드 칩은 고급 센싱, 보안 통신 네트워크, 양자 컴퓨팅 등 다양한 기술의 기반이 될 수 있습니다.

IBM이 대규모 양자 프로세서를 구축함에 따라, 다음 10년은 양자 컴퓨팅이 실제 세계에 영향을 미치는 시점이 될 것으로 기대됩니다.

2025년 최고의 양자 컴퓨팅 기업 목록을 보려면 여기를 클릭하세요.

References:

1. Kramnik, D.; Wang, I.; Ramesh, A.; Ghorbani, M.; Patel, V.; Lin, Y.; Choi, H.; Liu, Q.; Das, R.; Jensen, T.; Nakamura, S.; Lee, J.; Bowers, J. E.; Faraon, A.; Englund, D.; Painter, O.; Vučković, J. Scalable Feedback Stabilization of Quantum Light Sources on a CMOS Chip. Nature Electronics, 8, (2025). 게시일 online 2025년 7월 14일. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01410-5
2. Lanes, O.; Beji, M.; Corcoles, A. D.; Dalyac, C.; Gambetta, J. M.; Henriet, L.; Javadi‑Abhari, A.; Kandala, A.; Mezzacapo, A.; Porter, C.; Sheldon, S.; Watrous, J.; Zoufal, C.; Dauphin, A.; Peropadre, B. A framework for quantum advantage. arXiv preprint arXiv:2506.20658v2 [quant‑ph] (2025). 게시일 online 2025년 7월 14일. https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.20658