양자 컴퓨팅에서의 광자 상호연결 (Photonic Interconnect) 기술

1. 기술적 원리

광자 기반 양자 상호연결은 정보 운반체로 **광자(Photon)**를 이용하여 떨어진 양자 시스템 간에 큐비트 상태를 전달하거나 **얽힘(entanglement)**을 공유하는 기술입니다. 광자는 전하를 띠지 않는 비고정(flying) 큐비트로서, 한 번 생성되면 외부 환경과 상호작용이 거의 없어 원거리까지 양자 상태를 유지하면서 전송될 수 있습니다postquantum.compostquantum.com. 특히 광섬유 등 매질을 통해 감쇄가 낮은 **통신 파장(예: 1550nm)**의 광자를 쓰면 수십 km 이상 전송이 가능하여, 양자 네트워크에서 원격 노드들을 연결하는 데 매우 유리합니다postquantum.com. 광자는 열에 둔감하여 상온에서 동작 가능하고, 자기장 등의 잡음원과 거의 상호작용하지 않으므로 초전도 큐비트처럼 극저온·차폐 환경이 필요 없다는 장점도 있습니다postquantum.compostquantum.com. 이러한 이유로 **양자 키 분배(QKD)**나 분산 양자 센싱 등 양자 통신 분야에서 광자는 필수적인 매개체이며, 양자 컴퓨팅 영역에서도 공간적으로 분리된 양자 프로세서들을 광자로 연결하려는 시도가 이루어지고 있습니다postquantum.com.

광자 인터커넥트는 일반적으로 단일광자 또는 광자쌍을 이용해 두 양자 시스템을 엮습니다. 예를 들어, 이온 트랩 큐비트의 경우 이온과 얽힌 광자를 생성하여 광섬유로 출력하고, 다른 노드에서 그 광자를 검출함으로써 공간적으로 분리된 두 이온 큐비트 사이에 얽힘을 확립할 수 있습니다optics.orgoptics.org. 이러한 방식으로 두 양자 프로세서가 광자 링크를 통해 하나의 시스템처럼 동작하도록 하는 것입니다. 광자 상호연결을 구현하기 위해서는 빛을 효과적으로 발생·제어·측정할 수 있는 다양한 광학 부품과 집적 광포토닉스 소자가 활용됩니다postquantum.com:

• 광도파로(Waveguide): 칩 내에서 빛을 전달하는 경로로, 반도체 내에 미세한 광 도파 채널을 형성하여 단일광자들을 원하는 회로로 유도합니다postquantum.com. 칩 사이 장거리 연결에는 저손실 **광섬유(optical fiber)**가 사용됩니다.
• 빔 스플리터(Beam Splitter) 및 간섭계: 들어온 광자를 두 경로로 50:50 분할하거나 합치는 소자로, Mach-Zehnder 간섭계 등의 형태로 구현되며 광자 사이 양자간섭을 일으켜 중첩 및 얽힘 상태를 생성합니다postquantum.com. 두 광자가 동일한 빔스플리터에 동시 입사할 때 출력 포트로 같이 뭉쳐 나오는 Hong-Ou-Mandel 효과 등이 이러한 양자간섭의 예입니다.
• 위상 변조기(Phase Shifter): 광도파로 상에 삽입되어 광자의 상대 위상을 조절함으로써 간섭 패턴을 제어하는 소자로, 열광학 또는 전기광학 방식으로 동작합니다postquantum.com. 위상 변조기를 조합하면 임의의 광학 회로의 동작을 재구성(reconfigure)할 수 있어 프로그래머블한 양자 광학 게이트망을 구현할 수 있습니다.
• 광학 스위치(Optical Switch): 특정 광 경로로 들어온 광자를 신호에 따라 다른 경로로 빠르게 전환시키는 소자입니다. 양자 회로의 피드포워드 제어(측정 결과에 따른 실시간 경로 변경)나 다중 광원 다중화에 사용되며, ns급로 동작하는 초고속 스위치가 연구되고 있습니다postquantum.com.
• 단일광자 소스(Single-Photon Source): 필요할 때 동일한 특성의 단일광자를 생성하는 장치입니다. 확률적으로 광자쌍을 생성하는 자발 매개하향변환(SPDC) 방식이나, 반도체 **양자점(quantum dot)**을 이용한 방출 등이 활용됩니다postquantum.com. 최근에는 양자점 기반 소자가 고품질 단일광자를 고속으로 방출하여 광자 간 **동일성(indistinguishability)**을 크게 높였다는 연구도 보고되었습니다postquantum.com.
• 단일광자 검출기(Single-Photon Detector): 광자를 하나하나 개별적으로 측정하기 위한 검출 장비입니다. 실리콘 **아발란치 다이오드(APD)**나 초전도 나노와이어 검출기(SNSPD) 등이 사용되며, 각각 가시광~근적외선 대역과 **텔레콤 대역(1550nm)**의 단일광자를 높은 효율로 검출할 수 있습니다postquantum.com. 이상적인 검출기는 100% 효율에 0에 가까운 암계수(dark count)를 가져야 하나, 실제 소자에서는 효율<100%나 잡음으로 인해 광자를 놓칠 수 있으므로 지속적으로 성능 향상이 요구됩니다postquantum.com.

요약하면, 광자 상호연결 기술은 **“빛으로 양자 정보를 잇는 기술”**입니다. 광자를 매개로 멀리 떨어진 양자 비트들을 연결하면, 이들을 한 시스템의 일부처럼 얽힌 상태로 동작시키는 것이 가능합니다. 이는 장거리 양자 통신부터 하나의 양자 컴퓨터 내에서 다중 칩을 연결하는 내부 버스에 이르기까지 폭넓게 활용될 수 있는 원리입니다optics.organl.gov.

2. 주요 기업 및 연구기관

양자 광학 인터커넥트 분야에서는 스타트업 기업부터 글로벌 IT 기업, 대학 연구실까지 다양한 주체가 연구개발을 주도하고 있습니다. 대표적인 기업 및 기관은 다음과 같습니다.

• PsiQuantum (미국/영국): 실리콘 광자를 이용한 대규모 광자 양자컴퓨터를 목표로 하는 스타트업입니다. 수백만 개 규모의 광자 큐비트를 **클러스터 상태(cluster state)**로 엮어 **측정 기반 양자컴퓨팅(One-way quantum computing)**을 구현하려는 청사진을 발표하였고, 이를 위해 300mm 웨이퍼 공정의 표준 실리콘 포토닉스 기술을 활용해 수천 개 이상의 광학 소자를 집적하는 칩을 개발 중입니다postquantum.compostquantum.com. GlobalFoundries와 파트너십을 맺어 단일광자 소스, 광검출기, 저손실 광도파로 등을 집적하는 공정을 진행하고 있으며, 2020년대 후반 (~2027년)까지 실용적인 오류 보정 양자컴퓨터를 구축하겠다는 야심찬 로드맵을 가지고 있습니다postquantum.com. 이들은 fusion-based 클러스터 상태 양자컴퓨팅 아키텍처를 제안하고 필요한 오버헤드를 크게 줄이는 이론적 성과도 공개하였습니다postquantum.com.
• Xanadu (캐나다): 연속변수(Continuous-Variable) 광양자컴퓨팅 기술의 선두주자입니다. 레이저로 생성한 **압착 광상태(squeezed state)**들을 시간 다중화하여 거대한 가우시안 광자망을 형성한 뒤, 보손샘플링이나 양자계산을 수행하는 방식을 연구하고 있습니다postquantum.compostquantum.com. 2022년에는 Borealis 프로세서를 통해 216개의 모드로 이루어진 광자 망에서 Gaussian 보손샘플링을 구현, 기존 컴퓨터로는 시뮬레이션 불가능한 양자 우월성 결과를 시연하였습니다postquantum.com. Borealis는 세계 최초의 클라우드 이용가능 광자 양자컴퓨터로서 아마존 브라켓(AWS)을 통해 공개되기도 했습니다. Xanadu는 장기적으로 압착광을 이용한 클러스터 상태 양자컴퓨터 및 오류 보정이 가능한 CV 큐비트(GKP 상태) 연구를 추진 중이며, 이를 위해 고효율 **광자 번호 분해 검출기(PNRD)**와 초고속 광학 스위치 등 핵심 부품 기술을 개발해 왔습니다postquantum.com.
• IonQ (미국): 이온 트랩 양자컴퓨터 분야의 선도 기업으로, 광자 인터커넥트를 통해 여러 이온 트랩 모듈을 모듈형 양자컴퓨터로 연결하는 방식을 추구하고 있습니다. IonQ는 이온 큐비트가 빛과 잘 상호작용한다는 점에 착안하여 초창기부터 광자를 이용한 확장성을 고려해왔으며optics.org, 2024년 자사 연구팀이 상용 등급의 이온-광자 얽힘을 반복적으로 생성하는 데 성공했다고 발표했습니다optics.org. 이는 한 이온에서 나온 광자를 멀리 보내 다른 이온과 얽히게 하는 기술로, 여러 **양자 처리장치(QPU)**를 광네트워크로 묶는 핵심 단계입니다optics.org. IonQ는 이 기술을 바탕으로 향후 다수의 이온 트랩을 광섬유로 연결해 하나의 큰 양자컴퓨터처럼 동작시키는 양자 멀티프로세서를 실현하려 하고 있으며, 미 공군연구소(AFRL)와의 연구 계약 등을 통해 양자네트워킹 기술을 개발하고 있습니다optics.org.
• IBM (미국): 초전도체 기반 양자컴퓨터의 대표 주자인 IBM도 양자 인터커넥트 연구에 적극 참여하고 있습니다. IBM은 현재 하나의 칩(큐비트 배열)이 한 냉각시스템 안에서 동작하는 형태를 넘어, 여러 초전도 칩을 광학적으로 연결하여 확장하는 양자 센트릭 슈퍼컴퓨팅 구상을 제시했습니다anl.govspectrum.ieee.org. 이를 위해 초전도 큐비트의 마이크로파 신호(GHz 대역)를 **광신호(THz 대역)**로 주파수 변환하는 기술을 연구 중인데, 마이크로파 상태를 직접 먼 거리에 보내기 어렵고 상온 환경에서 전송하려면 광주파로 올려야 하기 때문입니다anl.gov. IBM은 미국 에너지부(DoE)의 Q-NEXT 양자인터넷 연구센터 등에 참여하여 이러한 양자 트랜스듀서(Transducer) 및 양자네트워크 인프라 개발을 주도하고 있으며anl.govanl.gov, 장기적으로 데이터센터 내 여러 양자컴퓨터를 광케이블로 연결하는 양자 데이터센터 개념을 추진하고 있습니다.
• 주요 대학/연구소: MIT, Caltech, Delft, USTC(중국 과기대) 등 유수 대학들도 광자 인터커넥트 연구를 선도하고 있습니다. 예를 들어 도쿄대/NTT 연구팀은 대규모 시간 다중화 광자 클러스터 상태와 초고속 피드포워드 제어 기술에서 세계적인 성과를 내고 있고postquantum.com, 중국과기대 판젠웨이(潘建伟) 그룹은 2020년 76광자 보손샘플링 실험(“九章”)으로 양자우월성을 입증한 데 이어, 칩 기반 광자 게이트와 소규모 클러스터 상태 생성 연구도 진행하고 있습니다postquantum.compostquantum.com. 유럽에서는 네덜란드 **QuTech(델프트 공대)**에서 다중 노드 양자 네트워크를 구축하고 얽힘 중계 실험을 수행하였으며, 영국, 독일 등도 양자 리피터(중계기) 및 양자인터넷 프로젝트를 가동 중입니다qutech.nlpostquantum.com. 이렇듯 학계-산업계 컨소시엄과 각국 정부의 지원 하에 광자 양자칩, 양자네트워크 기술 개발이 가속화되고 있습니다postquantum.com.

3. 최근 5년간의 연구 및 산업 동향 (2019~2024)

지난 5년간 광자 인터커넥트 및 광자 양자컴퓨팅 분야에서는 여러 중요한 연구성과와 산업적 진전이 나타났습니다. 그 중 핵심적인 흐름을 시간순으로 정리하면 다음과 같습니다:

• 2020년: 중국 USTC 판젠웨이 그룹이 76개의 광자를 이용한 Gaussian 보손샘플링 실험(일명 “九章”)을 통해 기존 최고 성능 슈퍼컴퓨터로도 시뮬레이션 불가능한 연산을 수행, 광자 양자우월성을 달성했다고 보고하였습니다postquantum.com. 같은 해 미국 에너지부는 양자 인터넷 청사진 보고서를 발표하고 시카고 지역에서 52마일 광섬유 루프를 통한 양자 얽힘 분배 네트워크(아곤-시카고-페르미랩 3개 노드, 총 80마일)를 구축하는 등, 국가 규모 양자네트워크의 시범을 시작했습니다optics.org.
• 2021년: 광자 양자컴퓨팅 스타트업들에 대규모 투자가 이루어졌습니다. PsiQuantum은 약 4억 5천만 달러 규모의 시리즈 D 투자를 유치하고 GlobalFoundries와의 파운드리 협력을 공식화하여, 백만 큐비트 광자컴퓨터 개발 계획을 구체화했습니다postquantum.com. 한편 캐나다 Xanadu는 8모드 압착광 칩(X8 등)을 클라우드 통해 공개하고 자사의 양자 소프트웨어 Strawberry Fields와 머신러닝 라이브러리 PennyLane 등을 통해 광자 컴퓨팅 생태계를 구축해 나갔습니다. 이러한 노력으로 광자 기술을 활용한 양자계산이 연구 단계에서 엔지니어링 단계로 넘어가는 전환점이 마련되었습니다postquantum.com.
• 2022년: 이 해는 광자 양자 컴퓨팅과 양자네트워킹에서 중요한 성과들이 발표되었습니다. 우선 Xanadu는 Borealis 프로세서를 이용한 216-모드 보손샘플링 실험을 통해 또 한 번 양자 우월성을 입증하였는데, 이는 수백 개 모드의 압착광 펄스를 시간 지연회로와 위상제어를 통해 거대 얽힘 상태로 만든 후 한꺼번에 측정한 것으로, 기존 컴퓨터로 수십억 년 걸릴 계산을 수백 밀리초 만에 수행한 결과입니다postquantum.compostquantum.com. 같은 해 PsiQuantum은 fusion 기반 클러스터 상태 컴퓨팅 아키텍처에 대한 이론적 돌파구를 발표하여, 오류보정에 필요한 광자 수를 50배 이상 줄일 수 있는 코딩 기법을 제시하였습니다postquantum.com. 양자 네트워크 분야에서는 네덜란드 QuTech 연구진이 최초로 세 개 노드로 구성된 양자네트워크에서 양자 텔레포테이션을 구현하는 데 성공했습니다qutech.nl. Delft 대학의 Alice-Bob-Charlie 노드로 이루어진 이 실험망에서, 인접하지 않은 노드 간에도 중계 노드를 통해 양자 정보를 텔레포테이션함으로써 양자 인터넷의 기본 기능을 시연하였고, 해당 결과가 Nature지에 발표되었습니다qutech.nl. 이 성과는 향후 양자통신망을 통해 양자컴퓨터를 연결하여 연산능력을 확장하거나 다자간 양자 보안통신을 구현하는 가능성을 보여준 의의가 있습니다qutech.nl.
• 2023년: 광자 인터커넥트 기술의 상용화 단계 진입을 알리는 소식들이 이어졌습니다. 양자컴퓨팅 기업 IonQ는 이온 트랩에서 단일 광자를 뽑아내어 얽힘을 생성하고, 광자를 광섬유로 전송해 다른 이온과 얽히게 하는 이온-광자 인터페이스 기술을 확립했다고 발표했습니다optics.org. IonQ는 이 성과를 “상용 등급의 포토닉 상호연결 첫 단계”로 명명하며, 복수 개의 QPU를 서로 연결해 하나의 더 강력한 양자컴퓨터처럼 동작시키는 미래를 향한 중요한 진전이라고 강조하였습니다optics.orgoptics.org. 이와 함께 IonQ는 광인터커넥트 전문 기업(Inference Photonics 등의 스타트업) 인수 의향을 밝히고, 미 정부 기관과 협력 하에 위성 양자통신 등 광자 네트워킹 연구에도 참여하면서 양자네트워크 상용화 주도권을 확보하려는 움직임을 보였습니다. 한편 통신 분야에서는 영국, 중국 등지에서 메트로 규모 양자암호 통신망을 구축하고, 초장거리에서는 양자위성을 이용해 2,600km에 달하는 지상 간 얽힘 분배 실험(중국 묵자호 위성) 결과가 보고되는 등, 양자인터넷을 향한 글로벌 경쟁이 가속화되었습니다postquantum.compostquantum.com.
• 2024년: 광자 양자기술의 표준화와 생태계 구축 논의가 활발해지고 있습니다. EU, 미국, 중국 모두 양자인터넷 시범망 구축을 위해 대규모 프로젝트를 진행 중이며, ISO/IEC 등에서 양자 통신 프로토콜 표준화 작업도 시작되었습니다. PsiQuantum, Xanadu 등은 여전히 수년 내 실용적 양자프로세서 프로토타입 공개를 목표로 연구개발 중이고, IBM도 2020년대 후반까지 양자 칩들을 광학적으로 연결한 수천 큐비트 양자 슈퍼컴퓨터 비전을 제시하고 있습니다anl.gov. 이에 따라 향후 몇 년은 소규모 모듈형 양자컴퓨팅 시연과 지역 단위 양자망 서비스 출현 등, 광자 인터커넥트 기술의 초기 상용화 사례들이 등장하는 시기가 될 것으로 전망됩니다.

4. 상용화 수준 및 기술적 한계

현재 상용화 수준: 광자 기반 양자컴퓨팅/인터커넥트 기술은 아직 실험실 데모 단계에서 초기 응용 단계로 넘어가는 과도기에 있습니다postquantum.compostquantum.com. 광자 양자컴퓨터의 경우 소수 광자/모드로 특정 알고리즘을 실행해보는 시연은 성공했지만, 오류보정이 필요한 범용 양자컴퓨팅을 구현한 예는 아직 없습니다postquantum.com. 다만 Xanadu의 Borealis처럼 양자 우월성을 달성한 특수 목적 포토닉 프로세서가 등장했고, 해당 장치를 클라우드로 공개하여 연구자들이 체험할 수 있게 하는 등 서비스 형태로 제공하기 시작한 진전이 있습니다. 양자 통신 쪽에서는 광자를 이용한 QKD가 이미 상용 제품으로 일부 출시되어 금융권 등의 보안망에 활용되고 있지만, 이것은 고전 키분배를 보조하는 수준이며 양자 프로세서 간 실시간 양자정보 교환이라는 인터커넥트 본연의 용도와는 차이가 있습니다. 양자 네트워크의 초기 사례로 3-노드 이하의 얽힘연결망이 연구소 간에 구축되어 텔레포테이션, 분산측정 등을 시험한 상태이며, 미국, EU, 중국 등의 국가 프로젝트를 통해 도시~국가 규모의 양자인터넷 테스트베드가 2020년대 중반부터 가동될 예정입니다. 종합하면, 광자 상호연결 기술은 많은 가능성을 보여주었지만 아직 범용 양자컴퓨팅이나 대규모 양자인터넷을 상용 서비스로 제공할 수준에는 이르지 못했고, 소규모 실증 시스템들이 이제 막 등장하는 단계라 할 수 있습니다postquantum.com.

기술적 난제와 한계: 광자 인터커넥트를 실용화하기 위해서는 몇 가지 중요한 공학적 난제를 해결해야 합니다:

• 광 손실(Loss): 광자는 전송 중 흡수나 산란으로 소멸될 수 있는데, 이는 양자 정보가 아예 사라져버리는 오류(일종의 erasure 오류)로 작용합니다postquantum.com. 특히 광자를 먼 거리까지 보내거나 복잡한 칩 회로를 통과시키는 경우 누적 손실이 커질 수밖에 없습니다. 일반적인 광섬유에서는 1km 당 약 0.2 dB의 손실이 발생하며, 이로 인해 별도의 보강 없이 직접 얽힘을 분배할 수 있는 거리는 대략 50~100 km가 한계로 알려져 있습니다postquantum.com. 손실로 인한 광자 소멸은 일정 수준까지는 중첩/얽힘에 내성을 갖지만, 임계치를 넘으면 양자계산이나 통신 자체가 불가능해집니다postquantum.com. 따라서 초저손실 광부품 개발이 핵심 과제이며, 또한 장거리에서는 **양자 중계기(repeater)**를 두어 구간별 얽힘을 복구/연결하는 기술이 필요합니다. 현재 광자 클러스터 상태에 양자 중계 프로토콜을 적용하여 손실을 보완하려는 연구들이 진행 중입니다postquantum.com.
• 디코히런스(Decoherence) 및 위상안정성: 광자는 자체적으로는 환경과 거의 상호작용하지 않아 위상 플립 등의 디코히런스 오류에는 강인하지만, 오랜 시간 여행하거나 여러 소자를 거칠 경우 위상 지연이나 편광 변화 등이 누적되어 다중 광자의 상대위상을 흐트러뜨릴 수 있습니다. 특히 여러 경로로 나뉜 광자를 다시 간섭시키는 회로에서는 각 경로의 광학 길이를 나노미터 수준으로 안정시키는 것이 중요합니다. 온도 변화나 진동에 의한 미세한 경로 길이 변화도 위상 오류를 유발할 수 있으므로, 대형 광학 시스템에서는 능동적 위상 안정화 기술이 요구됩니다. 집적 광자칩의 경우 환경 변화 영향이 줄어들지만, 여전히 열광학 효과 등에 의한 위상 드리프트를 보정해야 합니다. 다행히 광자 큐비트의 간섭 오류율은 매우 낮아 잘 설계된 광학 회로에서는 $10^{-5}$ 수준의 게이트 오류율도 가능하다는 연구가 있으며postquantum.com, 위상 노이즈는 고전 피드백 제어로 충분히 극복 가능할 것으로 기대됩니다.
• 단일광자 소스의 성능: 현재 많은 광자 양자 시스템이 확률적 광원에 의존하고 있습니다. SPDC와 같은 방식은 본질적으로 임의 시점에 쌍광자를 생성하므로 원하는 때에 딱 한 개의 광자를 내보내기 어렵고, 그 결과 두 광자를 동시에 얻을 확률이 낮아 연산 속도가 떨어집니다. 이를 보완하기 위해 다중화(multiplexing) 기술로 여러 광원 중 발생한 광자를 선택하거나, 양자 점처럼 온디맨드로 단일광자를 방출하는 소자를 개발하고 있지만, 완벽하게 규칙적이고 동일한 광자를 고효율로 내는 것은 여전히 어려운 과제입니다postquantum.com. 서로 다른 소스에서 나온 광자들이 스펙트럼, 모드, 도착시간이 동일해야 양자 회로에서 간섭할 수 있는데, 이러한 광자 간 동일성을 보장하기 위한 정밀 제어도 필요합니다postquantum.com. 최근 연구에서는 단일 광자의 광자 간격 조절, 주파수 변환 등을 통해 광자의 특성을 맞추는 기술이 개발되고 있으며, 일부 양자점 광원은 99% 이상의 동질성을 보고하기도 하였지만, 이러한 소자를 대규모 집적하고 신뢰성 있게 구동하는 공정 기술이 요구됩니다.
• 단일광자 검출기: 앞서 언급했듯이 현실의 검출기는 효율 한계와 잡음을 갖고 있습니다. 광자 인터커넥트에서는 측정 피드백이 많기 때문에 검출기 성능이 곧 연산 성공률로 직결됩니다. 예를 들어 광자 10개 중 1개만 놓쳐도 얽힘 상태 성공확률이 크게 떨어질 수 있습니다. 현재 최고 성능의 SNSPD는 특정 파장에서 검출 효율 >90%, 암계수 수 Hz 수준을 달성하지만 극저온 냉각을 필요로 합니다postquantum.com. 실리콘 APD는 상온 동작 가능하지만 효율/잡음 면에서 SNSPD 대비 열세입니다. 이를 극복하기 위해 **광자 수 변별 검출기(PNRD)**나 온칩 SPAD 등 신형 소자가 연구되고 있으며postquantum.com, 앞으로는 다채널 검출 어레이와 통합된 광자-전자 하이브리드 회로로 초당 수억 회의 단일광자 측정을 처리해야 합니다. 낮은 지연으로 수많은 검출 신호를 처리하는 전자 제어계도 함께 발전이 필요합니다postquantum.compostquantum.com.
• 이기종 양자 시스템 간 인터페이스: 광자는 다양한 물리 플랫폼을 연결하는 매개 역할을 하지만, 각각의 플랫폼은 다른 주파수와 환경에서 동작합니다. 예를 들어 초전도 큐비트의 정보는 마이크로파(GHz) 영역에 있으므로, 이것을 장거리 전송 가능한 광학 주파수(THz)로 올리는 양자 주파수 변환이 필수적입니다anl.gov. 현재 광자-마이크로파 트랜스듀서로 초전도 큐비트 신호를 광자로 바꾸는 연구가 진행 중이나, 높은 변환 효율과 양자 상태 보존을 동시에 이루기가 매우 어렵습니다 (수 % 이하 효율에 그침). 이온 트랩이나 고체결함(NV 센터) 등은 애초에 광자를 방출하므로 유리하지만, 반대로 광메모리로 쓰일 양자 메모리 매질을 개발해야 하는 과제가 있습니다. 결국 상호연결의 각 끝단에서 광자-물질 상호작용을 효과적으로 일으켜주는 양자 인터페이스 기술이 성숙해야 이기종 양자노드들 간 연결이 가능해집니다. 이는 양자네트워크 구축을 위한 장기 과제로 남아 있습니다.
• 복잡도와 오류보정: 광자 상호연결을 통한 대규모 양자컴퓨팅을 실현하려면 아주 많은 광자와 광학소자를 실시간 제어해야 하므로 시스템 복잡도가 기하급수적으로 증가합니다. 예컨대 PsiQuantum이 구상한 백만 큐비트 시스템에서는 수십만 개의 광학 소자와 수 Gb/s급 전자 피드백 루프들이 동원될 것으로 예상됩니다. 이렇게 거대해진 시스템에서 위상 안정화, 동기 신호 분배, 에러 피드백 연산 등을 관리하는 것은 새로운 공학적 도전입니다postquantum.com. 또한 현재의 광자 양자논리 게이트는 성공 확률이 제한적이므로, 오류를 포용하기 위해서는 양자 오류정정(QEC) 코드가 필요합니다. 광자 클러스터 상태 접근법에서는 표면코드 등의 QEC를 3차원 클러스터로 구현하여 오류를 보정하는데, 이를 위해 여분의 광자가 많이 필요합니다. 초기 추산으로는 논리 1큐비트를 유지하는 데 물리 광자 수 천 개 이상이 요구되었으나, 최근 PsiQuantum가 fusion 기반 네트워크 등으로 오버헤드를 50배 줄이는 아이디어를 내놓는 등 개선이 이루어지고 있습니다postquantum.com. 그럼에도 불구하고 오류율 감소와 다수 광자 동시 제어는 향후 실용화를 위한 큰 과제로 남아 있습니다postquantum.com. 다행히 포토닉스 분야는 기존 통신 산업 덕에 집적 규격 확대와 자동화 제어에 대한 기술 기반이 있으며, 업계 플레이어들이 손실 저감, 소스·검출기 향상, QEC 통합 등의 문제를 집중적으로 해결하고 있습니다postquantum.com.

요컨대, 광자 상호연결 기술의 주된 제약은 광손실과 이를 극복하기 위한 복잡한 시스템 요구로 요약될 수 있습니다. 그러나 반대로 말하면, 광자는 흡수만 되지 않으면 수백 킬로미터를 가도 상태를 유지할 정도로 본질적 코히런스가 강인하며postquantum.com, 상호작용이 적어 잡음이 유발될 여지도 작습니다. 이러한 특성 덕분에 대규모 병렬 광학 시스템을 구축하는 것이 가능하며, 통신 분야 인프라를 활용해 스케일업할 잠재력도 높습니다postquantum.com. 결국 남은 문제들은 공학적 스케일링과 효율 개선의 영역으로, 향후 수년간의 연구개발을 통해 충분히 극복될 것으로 전망됩니다. 현재 PsiQuantum, Xanadu 등의 기업이 이 과제들(손실, 소스/검출기, 오류보정)을 해결하기 위해 막대한 투자를 집행하고 있기도 합니다postquantum.com.

5. 주요 응용 분야

광자 인터커넥트는 양자 컴퓨팅과 통신을 융합하는 기술로서, 양자 인터넷부터 모듈형 양자컴퓨터에 이르기까지 다양한 응용 분야를 개척하고 있습니다:

• 양자 네트워킹(Quantum Networking) 및 양자 인터넷: 광자를 이용하면 지리적으로 떨어진 양자 프로세서들을 연결하여 분산 양자 네트워크를 구성할 수 있습니다. 예를 들어 여러 연구소의 양자 장치를 광섬유로 연결해 얽힘을 공유하면 분산형 양자컴퓨팅이 가능해지며, 작은 양자컴퓨터 여러 대를 모아 하나의 더 큰 컴퓨터처럼 활용할 수 있습니다optics.orgen.wikipedia.org. 이는 마치 클래식 컴퓨팅에서 클러스터를 구성하는 것과 유사하게, 각기 제한된 능력의 양자노드들을 결합해 확장형 양자 클러스터를 구축하는 개념입니다en.wikipedia.org. 더 나아가 이러한 네트워크를 전세계로 연결하면 궁극적인 양자 인터넷이 됩니다en.wikipedia.org. 양자 인터넷이 실현되면 절대 보안통신(QKD 기반 암호통신), 분산 양자연산, 원격 양자센싱 등 혁신적 응용이 가능해집니다qutech.nl. 실제로 2022년 Delft 연구진의 실험은 3노드 네트워크에서 양자텔레포테이션을 구현함으로써, 향후 원거리 양자컴퓨터 연결과 기밀 정보 공유, 고정밀 분산 센싱이 가능함을 시사했습니다qutech.nlqutech.nl. 현재 각국에서 수도권 광자망을 통한 양자 키분배, 위성을 이용한 대륙간 얽힘 분배 등에 성공하였고postquantum.compostquantum.com, 이러한 요소 기술들을 통합하면 향후 10년 내 국가 간 양자인터넷의 시범 운용도 현실화될 전망입니다.
• 모듈형/다중 칩 양자컴퓨팅: 광자 인터커넥트는 단일 양자컴퓨터 내부에서 여러 양자 칩이나 모듈을 연결하는 데에도 응용됩니다. 현재 양자 프로세서는 제조공정과 물리적 제약으로 인해 칩당 수십~수백 큐비트 수준에 머물고 있는데, 광자 링크를 활용하면 이런 모듈들을 상호 연결하여 확장형 양자컴퓨터를 구성할 수 있습니다anl.govoptics.org. 예를 들어 IonQ는 하나의 이온 트랩에 수십 개 이온을 담고, 여러 이온 트랩 모듈을 광섬유로 서로 연결해 마치 한 트랩에 있는 것처럼 얽히게 함으로써 선형 스케일 이상의 확장성을 얻고자 합니다optics.org. IBM도 하나의 냉장고(cryostat) 안에 여러 초전도 칩을 광학적으로 결속하는 양자 모듈러 아키텍처를 연구하고 있습니다anl.gov. 이러한 모듈형 접근법은 양자 컴퓨팅의 규모 한계를 돌파하는 실용적인 방법으로 주목받고 있으며, 광자 인터커넥트는 그 핵심 기술입니다. 이미 일부 업체들은 광자 버스를 통해 2개 양자칩 간 얽힘을 실현하는 시험을 진행하고 있고optics.orgconstellationr.com, DARPA 등의 과제를 통해 모듈러 양자컴퓨터 프로토타입 개발이 이루어지고 있습니다postquantum.com. 장기적으로는 데이터센터 랙에 여러 양자모듈을 두고 광섬유로 상호연결하여 수백만 큐비트에 이르는 양자 센터를 구축하는 비전도 제시되고 있습니다postquantum.compostquantum.com.
• 양자 통신 및 보안: 광자 상호연결 기술은 곧 양자 통신 기술과도 직결됩니다. 이미 상용화된 양자 키분배(QKD) 장비들은 광자를 통해 두 지점 간 암호키를 공유하는데, 향후에는 엔드투엔드 양자암호 통신망으로 발전할 것입니다. 또한 양자 네트워크를 활용하면 노드 간 양자텔레포테이션으로 정보를 주고받아 중계 노드가 내용물을 알 수 없는 통신도 구현 가능합니다. 위성 양자통신은 광자를 우주공간으로 보내 수천 km 떨어진 지점까지 양자얽힘이나 키를 분배하는 기술로, 중국의 Micius 위성이 그 가능성을 입증하였습니다postquantum.compostquantum.com. 이러한 기술들은 금융, 국방 등 초고보안 통신 분야에 응용될 것이며, 나아가 양자 인터넷 인프라의 한 부분을 이룹니다.
• 분산 양자 센싱 및 기타 응용: 광자 인터커넥트로 연결된 양자 센서 네트워크는 개별 센서의 한계를 뛰어넘는 성능을 발휘할 수 있습니다. 예를 들어 원자시계나 전파망원경 등을 양자얽힘으로 연결하면 공동 정밀도 향상이나 기준 동기화가 가능해집니다qutech.nl. 여러 원격 장소의 센서를 얽힌 광자로 연결하여 동일한 양자 상태를 공유하게 하면, 마치 거대한 하나의 센서처럼 동작시킬 수 있고, 이를 통해 중력파 탐지, 지각 관측, 분산 원격측정 등에서 센서 융합 효과를 얻을 수 있습니다. 이러한 분산 양자센싱 개념도 광자 네트워크 없이는 불가능하며, 현재 연구 단계에 있지만 향후 기상 관측이나 우주망원경 배열 등에 응용 가능성이 논의되고 있습니다.

정리하면, 광자 상호연결 기술은 양자 컴퓨팅의 확장과 양자 통신의 구현을 동시에 가능케 하는 핵심 기술로 부상하고 있습니다. 가까운 미래에는 광자 인터커넥트를 통해 여러 양자컴퓨터를 하나로 묶는 클라우드 양자연산, 도시 간 양자 암호통신, 국가 간 양자인터넷 테스트베드 등이 실현될 것으로 기대됩니다optics.orgoptics.org. 궁극적으로는 전 지구적 양자네트워크를 통해 분산 양자컴퓨팅과 양자정보 공유가 일상화되고, 현재의 인터넷을 보완하거나 대체하는 양자정보 인프라가 구축되는 비전을 그리고 있습니다. 이러한 목표를 이루기 위해 광자 인터커넥트 기술의 발전이 필수적이며, 지금도 전 세계 연구자들과 기업들이 그 한계를 극복하고 실용화를 앞당기기 위해 노력하고 있습니다postquantum.com.