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확장성·연산 속도 뛰어난 초전도 정확하고 오류정정되는 중성원자 모두 아우르는 종합 연구역량 확보



한국표준과학연구원이 개발한 20큐비트급 초전도 기반 양자컴퓨팅 시스템. [사진 한국표준과학연구원]


이론물리학자 하이젠베르크가 1925년 9월 양자이론을 처음 제시한 지 100년이 되어가는 지금, 얽힘과 중첩으로 대표되는 ‘양자 현상’을 응용한 혁신 기술들이 세상에 모습을 드러내고 있다. 그중에서도 ‘양자컴퓨팅’은 가장 주목받는 기술이다. 기존 컴퓨터가 0 또는 1로 정보를 처리하는 비트(bit) 단위를 사용하는 것과 달리, 양자 신청자격 컴퓨터는 0과 1의 상태가 동시에 존재하는 큐비트(Qubit) 단위로 정보를 처리한다. 이러한 특성 덕분에 고전 컴퓨터로는 수십만 년이 걸릴 연산을 단 몇 분 안에 해결할 수 있는 혁신 기술로 꼽힌다.
양자컴퓨터의 성능을 좌우하는 핵심은 바로 큐비트의 구현 방식이다. 어떤 물리적 원리를 활용하느냐에 따라 양자컴퓨터의 특성과 장단점이 뚜렷 자영업자 햇살론 하게 달라지기 때문이다. 한국표준과학연구원(KRISS, 이하 표준연)은 큐비트를 구현하는 대표적인 두 방식인 ‘초전도’와 ‘중성원자’ 기술을 동시에 육성하고 있다. 이를 통해 속도와 정확성, 확장성과 안정성을 모두 아우르는 종합적인 연구 역량을 확보하며 국가 양자컴퓨팅 개발을 선도하고 있다.
초전도 기반 양자컴퓨팅은 현재 상용화에 가장 위탁매매계약 근접한 기술로 평가받는다. 초전도 큐비트는 영하 273도에 가까운 극저온에서 열적 요동이 거의 없는 초전도 상태를 활용해 구현된다. 이 방식은 기존 반도체 공정 인프라를 활용할 수 있어 큐비트 수의 확장성이 뛰어나고 연산 속도가 빠르다는 장점을 가진다. 구글, IBM 등 대부분의 빅테크 기업이 채택해 육성하고 있는 기술이기도 하다.
국내 대전햇살론 최초의 양자컴퓨터 역시 초전도 기반으로 설계됐다. 표준연은 2024년 국내 연구기관과 협력해 ‘20큐비트급 초전도 양자컴퓨팅 시스템’을 개발하고 첫 시연에 성공했다. 이어 올해 3월에는 이를 기반으로 한 ‘클라우드 시스템’까지 선보이며 양자컴퓨팅 상용화를 위한 기반을 마련했다. 이 시스템은 사용자가 웹 서버를 통해 원격으로 양자컴퓨터에 접근하고 필요에 맞 적금 이율 계산 게 활용할 수 있도록 지원한다.



한국표준과학연구원 연구진이 중성원자 양자컴퓨팅을 개발 중인 모습. [사진 한국표준과학연구원]


현재 표준연은 2026년까지 50큐비트급 양자컴퓨팅 시스템 개발과 클라우드 구축을 목표로 하고 있다. 이후에는 큐비트 규모를 더욱 확장하는 동시에, 양자 오류정정 기술을 적용한 초전도 큐비트 개발에도 도전할 계획이다.
중성원자 양자컴퓨팅은 전하를 띠지 않는 원자를 레이저로 만든 광집게에 개별적으로 포획해 각 원자를 개별 큐비트로 활용하는 방식이다. 원자의 내부 에너지 준위를 큐비트 상태로 정의하고 레이저를 통해 정밀하게 제어하고 측정하는 원리다.
이 방식은 초전도 방식보다 큐비트 상태를 더 오랫동안 안정적으로 유지할 수 있어 계산 정확도가 높고, 초전도 현상을 구현할 극저온 냉각장치가 필요 없다는 장점도 있다. 특히 중성원자 방식은 오류정정이 가능한 양자컴퓨팅으로 주목받는다. 실제로 2024년 미국 하버드대 연구팀은 사상 최초로 중성원자 기반 양자컴퓨터에서 오류정정 기술을 시연했으며, 마이크로소프트는 2025년부터 오류정정이 가능한 중성원자 양자컴퓨팅 서비스를 제공하겠다고 발표한 바 있다.
국내에서는 표준연이 30여년간 축적해온 양자센싱 기술력을 바탕으로 중성원자 양자컴퓨팅 개발에 주력하고 있다. 그 결과 올해 초 100큐비트급 중성원자 양자컴퓨팅의 원자 제어 원천기술을 확보하는 데 성공했다. 표준연은 향후 1000큐비트 규모로 확장하고, 중성원자 양자처리장치(QPU) 설계 기술을 자체 개발하는 데 박차를 가할 계획이다.
이준혁 중앙일보M&P 기자 lee.junhyuk1@joongang.co.kr