대량 생산 가능한 광자 칩이 양자 확장의 열쇠가 될 수 있다

콜로라도 대학교 볼더 캠퍼스 엔지니어들이 양자 컴퓨팅 도입의 핵심 단계인 확장성을 해결했습니다. 양자 장치를 만들기 위해 필요한 극도의 정밀도가 대규모로 재현되지 않아 비용이 대부분의 사람들에게 아직도 접근하기 어려운 수준입니다.

다행히도, 최근 개발이 전통적인 CMOS 제조 방식을 활용해 오늘날 사용 가능한 어떤 것보다 훨씬 작고 저렴한 안정적인 양자 칩을 만들면서 이 상황이 앞으로 몇 년 안에 바뀔 예정입니다. 알아두어야 할 내용은 다음과 같습니다.

Quantum vs. Classical Computing: The Photonic Difference

전통적인 컴퓨터와 달리 양자 컴퓨터는 비트와 기존 칩을 사용하지 않습니다. 대신 양자 중첩과 큐비트를 활용해 연산을 수행합니다. 양자 컴퓨터를 구축하는 가장 일반적인 방법 중 하나는 광학 포토닉 변조기를 이용하는 것입니다.

이 장치들은 양자 컴퓨터가 트랩된 이온이나 중성 원자를 큐비트로 활용하도록 합니다. 이러한 칩은 엔지니어가 큐비트에 조정 가능한 레이저를 비추어 주파수 변조를 통해 계산 명령을 전달할 수 있게 합니다.

The Scalability Bottleneck: Why Mass Production Failed

현재 양자 컴퓨터 제조 방법에는 여러 문제가 있습니다. 가장 큰 문제는 대량 생산이 불가능하다는 점입니다. 이 칩들은 매우 민감하고 정밀하기 때문에 대부분의 경우 개별 실험실에서 직접 제작해야 합니다. 현재 조립 방식은 엔지니어가 대부분의 부품을 손으로 조립하는 방식에 의존합니다.

또한 이러한 장치는 고출력 레이저 빔을 통합해 여러 큐비트에 정밀 조정 기능을 제공합니다. 따라서 신뢰성과 내열성이 필요하며, 특히 향후 양자 컴퓨터가 수천 개의 큐비트를 사용할 가능성을 고려할 때 더욱 중요합니다.

Form Factor Limits

현재 양자 칩은 대부분의 응용 분야에 사용하기엔 너무 큽니다. 극저온 냉각, 긴 광 경로, 그리고 넓게 배치된 큐비트 설계가 필요합니다. 이러한 설정은 노이즈를 줄이는 데 도움이 되지만 전통적인 컴퓨터 칩에 비해 매우 부피가 큽니다.

또한 향후 세대의 양자 컴퓨터는 더 많은 큐비트를 사용할 것이므로, 오늘날 가장 진보된 양자 컴퓨터조차도 10년 내에 공개될 제품에 비하면 아주 작은 부분에 불과합니다. 따라서 대규모 채택을 이루기 위해서는 합리적인 폼 팩터로 축소되어야 합니다.

Heat Destroys the Quantum State

큐비트와 통신하기 위해 사용되는 레이저 에너지는 많은 열을 발생시킵니다. 열은 컴퓨터 전반에 문제를 일으키지만, 양자 컴퓨터는 연산을 수행하기 위해 미세한 양자 상태를 유지해야 하므로 특히 문제가 됩니다. 그래서 극저온 냉각이 필수이며, 열이 발생하면 장치가 작동하지 않을 수 있습니다.

Breakthrough: CMOS-Compatible Photonic Circuits

Nature Communications 저널에 발표된 연구 “Gigahertz-frequency acousto-optic phase modulation of visible light in a CMOS-fabricated photonic circuit”¹은 광학 양자 칩을 생산하는 완전히 새로운 접근 방식을 제시합니다.

많은 사람들은 이 새로운 공정을 광자 컴퓨터 혁명의 첫 단계로 보고 있습니다. 머리카락 한 가닥보다 100배 얇은 이 장치는 모듈식 기술을 통합해 효율성과 안정성을 새로운 수준으로 끌어올립니다.

이 목적에 맞게 설계된 기가헤르츠 주파수 압전 광학 위상 변조기는 압전 트랜스듀서와 광자 파형도를 결합해 폼 팩터를 최소화하면서 파장 규모 구조를 유지합니다.

Optical Phase Modulator

업그레이드된 광학 위상 변조기는 마이크로파 주파수를 사용해 레이저 빛을 제어합니다. 마이크로파는 빛을 고속으로 흥분시켜 초당 수십억 번 진동하게 하며, 정밀한 튜닝과 향상된 안정성 및 효율성을 제공합니다. 구체적으로, 압전 트랜스듀서에 장착된 광자 파형도가 압전-광학 변조기에 통합됩니다.

CMOS Fabrication Enables Mass Production

엄격한 크기 요구 사항을 충족하기 위해 엔지니어들은 200 mm 웨이퍼에 장치를 제작한 뒤 120개의 개별 칩으로 절단했습니다. 이 과정은 압전-광기계 알루미늄 나이트라이드‑SiNx 플랫폼을 사용했으며, 730 nm 레이저 입력에 기가헤르츠 주파수 사이드밴드를 생성하기 위해 위상 변조를 활용했습니다.

더 인상적인 점은 표준 칩 제조 기술을 이용해 장치를 만들었기 때문에 향후 대량 생산이 가능하다는 것입니다. 이는 양자 컴퓨팅 접근성을 크게 확대할 수 있는 문을 엽니다.

엔지니어들은 CMOS 제조가 확장 가능한 기술의 정점이며, 이를 양자 칩 제작에 적용하는 것이 채택을 촉진하는 핵심이라고 강조했습니다.

특히, 이 기술이 스마트폰, 노트북 등 일상에서 사용하는 고급 디바이스를 가능하게 했듯이, 앞으로 양자 기반 디바이스에도 동일한 영향을 미칠 것이라고 설명했습니다.

출처 – Nature Communications

Dual-Mode Operation: Optical and Electromechanical

특히, 광학 위상 변조기는 두 가지 뚜렷한 모드로 동작합니다. 첫 번째는 전파 광 모드로, 회로 내에서 광자 파형도를 전파하고 안내합니다. 이 전략은 얽힘 분배, 라우팅 및 코히어런스를 지원해 대부분의 연산에 필수적입니다.

두 번째 모드는 전기적으로 흥분되는 브리딩 모드 기계적 공명으로, 마이크로파를 나노구조에 적용해 압전 구동을 생성합니다. 이 마이크로파는 광자 진동 속도와 광장을 변화시킵니다. 특히 이 모드는 높은 광 파워를 지원해 고급 양자 연산에 이상적입니다.

Performance Benchmarks: Stability & Efficiency

엔지니어들은 라디오 주파수 스펙트럼 분석기를 이용해 칩 출력 테스트를 여러 차례 수행했습니다. 이를 위해 팀은 레이저 소스를 섬유 인터페라미터와 결합한 암을 칩에 장착했습니다.

장치의 다른 쪽 끝은 압전 광학 주파수 변환기(AOFS)에 연결되었습니다. 엔지니어들은 장치 양쪽을 통과한 빛을 50/50 방향성 커플러로 다시 결합해 광자를 스펙트럼 분석기로 전달, 정확도를 높였습니다.

새로운 칩은 730 nm 광 파워 등급을 달성했으며, 이는 엔지니어가 설정한 500 mW 목표를 초과합니다. 또한 팀은 장치 기하학을 조정해 광기계 상호작용을 더욱 강화했습니다. 이 테스트에서는 2.31 GHz, 80 mW 마이크로파만으로 4.85 rad의 변조 깊이를 기록했습니다.

특히, 이 장치는 현재까지 가장 낮은 주파수 손실을 기록했습니다. 엔지니어들은 새로운 칩이 기존 양자 칩에 비해 15배 더 안정적이며 마이크로파 전력 요구량 면에서 100배 더 효율적이라고 밝혔습니다.

Key Advantages of CMOS Fabrication

대량 생산된 광자 칩이 시장에 가져올 이점은 많습니다. 첫째, 대량으로 제조할 수 있어 기술이 독점적인 접근에서 대중적인 컴퓨팅 옵션으로 전환될 수 있습니다. 이 제조 방식은 비용 효율적이며 수천 개의 큐비트를 통합한 비교적 작은 양자 컴퓨터를 만들 수 있게 합니다.

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이 제조 방식은 처음으로 이러한 고급 복합 장치의 동일한 버전을 만들 수 있게 합니다. 이는 엔지니어가 기존 방법을 활용해 미래 양자 컴퓨터 설계를 대중에게 배포할 수 있음을 의미합니다.

Small Size

이 레이아웃의 가장 큰 장점 중 하나는 작은 크기입니다. 인간 머리카락보다 100배 작아도 이 칩은 강력한 양자 컴퓨터 설계를 지원할 수 있습니다. 이러한 유닛은 IBM의 Condor 칩처럼 1,121개의 큐비트를 통합하지만, 더 큰 라미네이트 때문에 폼 팩터가 훨씬 큽니다.

High Performance

놀랍게도, 이 칩은 오늘날 가장 진보된 기계와 동등한 컴퓨팅 파워를 제공할 수 있습니다. 현재 고급 양자 컴퓨팅의 최고 수준인 500 mW 이상의 광 파워를 지원합니다. 또한 새로운 칩 설계는 더 높은 광 파워와 정밀도를 제공하면서 전력 소비는 크게 낮춥니다.

More Efficient

이 접근 방식에 사용되는 위상 변조는 이전 방식에 비해 훨씬 적은 마이크로파 전력을 필요로 합니다. 엔지니어들은 장치가 80배 적은 에너지로 양자 연산을 수행할 수 있다고 밝혔습니다. 결과적으로 열 발생이 크게 감소해 더 많은 칩을 결합해 강력한 장치를 만들 수 있습니다.

Real-World Applications: Sensing & Networking

이 기술의 적용 분야는 다양합니다. 가장 명백한 용도는 미래 양자 컴퓨터 설계를 지원하는 것입니다. 고성능 칩이 충분히 작아 서로 촘촘히 배치될 수 있고, 에너지 효율이 높아 과열 문제를 일으키지 않습니다.

Quantum Sensing

양자 센서는 기존 센서에 비해 훨씬 높은 정확도를 제공합니다. 이는 중첩, 얽힘 및 스퀴징을 활용해 자기장, 중력, 시간, 온도 등 다양한 변화를 정밀하게 측정합니다. 이러한 칩은 이러한 센서를 보다 저렴하게 만들 수 있습니다.

Quantum Networking

또 다른 핵심 적용 분야는 양자 네트워킹입니다. 이 기술은 얽힘을 이용해 높은 전송률로 데이터를 전달합니다. 구체적으로 양자 벨 페어와 텔레포테이션을 활용해 상태를 복제 없이 전송합니다. 궁극적인 목표는 언젠가 양자 인터넷을 위한 인프라를 구축하는 것입니다.

Path to Commercialization: The 7-10 Year Roadmap

이 기술이 대중에게 보급되기까지는 약 7~10년이 걸릴 것으로 예상됩니다. 이 제조 기술은 양자 기술 채택을 촉진하는 핵심 요인이 될 것이며, 먼저 완벽히 다듬여야 합니다. 그러나 적절한 제조업체와 파트너십을 맺으면 저비용 전략이 추가 통합과 채택을 지원할 것입니다.

Research Team & Funding

콜로라도 대학교 볼더 캠퍼스는 샌디아 국립 연구소와 협력해 광자 칩 연구를 진행했습니다. 구체적으로 Nils T. Otterstrom, Matt Eichenfield, Jacob M. Freedman, Matthew J. Storey, Daniel Dominguez, Andrew Leenheer, Sebastian Magri가 참여했습니다.

이 연구는 미국 에너지부의 Quantum Systems Accelerator 프로그램으로부터 재정 및 물질 지원을 받았으며, 해당 프로그램은 국가 양자 이니셔티브 과학 연구 센터가 주관합니다.

Future Research Goals

이제 팀은 과거 성능을 뛰어넘는 통합 광자 회로를 만드는 것을 목표로 합니다. 칩의 주파수 생성 및 필터링 능력과 펄스 형성 방식을 향상시켜 성능을 더욱 높이고자 합니다.

또한 엔지니어들은 제조 방식을 실제 운영에 적용할 전략적 파트너를 찾을 예정입니다. 이는 주요 CMOS 제조 시설에 접근해 새로운 칩 설계에 전용 생산 라인을 확보하는 것을 의미합니다.

Top Quantum Computing Stock to Watch

양자 컴퓨팅 분야는 계속 확장되고 있으며, 경쟁은 매달 증가하고 있습니다. 오늘날 선도적인 양자 컴퓨터 설계자, 칩 제조업체 및 프로그래머들은 이 기술을 새로운 수준으로 끌어올리며 계산 능력 혁신의 문을 열고 있습니다. 다음은 이 혁명의 최전선에 서 있는 기업 중 하나입니다.

IonQ (IONQ): A Leader in Trapped-Ion Systems

IonQ (IONQ )는 2015년에 설립되어 양자 기술을 앞당겼습니다. 이 회사는 양자 컴퓨팅 전문가인 Christopher Monroe와 Dr. Jungsang Kim이 공동 설립했으며, Monroe는 양자 연구의 핵심 인물로 업계 선구자로 평가받고 있습니다.

IonQ는 5개의 이터븀 이온 칩으로 Deutsch‑Jozsa 알고리즘을 최초로 실행한 등 기술 혁신에 기여했으며, 최초의 상업용 트랩 이온 QCaaS를 출시했습니다. 이러한 성과 덕분에 6억 3,600만 달러의 자금을 성공적으로 확보했습니다.

현재 이 회사는 Aria 32‑큐비트 랙 마운트 시스템을 포함한 여러 고급 양자 제품을 제공하고 있습니다. 또한 AWS, Azure, Google Cloud 등 주요 클라우드 제공업체와 전략적 파트너십을 체결했습니다.

양자 컴퓨팅 분야에서 오랜 경험을 가진 신뢰할 수 있는 공급자를 찾는다면 IonQ에 대해 더 깊이 조사해 볼 가치가 있습니다. 현재 시가총액은 163억 달러이며, 최근 주가는 최고 84.64달러, 최저 17.88달러를 기록했습니다.

Latest IonQ (IONQ) Stock News and Performance

Conclusion

광자 칩을 대량 생산하는 방법을 성공적으로 개발하는 것이 얼마나 중요한지는 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 이 기술은 양자 컴퓨팅 확장의 핵심이며, 대중이 접근하기 전에 완벽히 다듬어져야 합니다. 이번 최신 개발은 양자 장치 제작 비용을 크게 낮출 것이며, 이는 향후 시장에 안정적인 칩 공급을 제공할 것입니다.

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References

^{1. Freedman, J. M., Storey, M. J., Dominguez, D., Leenheer, A., Magri, S., Otterstrom, N. T., & Eichenfield, M. (2025). Gigahertz-frequency acousto-optic phase modulation of visible light in a CMOS-fabricated photonic circuit. Nature Communications, 16(1), 10959. https://doi.org/10.1038/s41467-025-65937-z}