양자 메모리: 개념, 구현 기술 및 최신 동향

1. 양자 메모리의 개념 및 동작 원리

양자 메모리(quantum memory)는 고전적 컴퓨터 메모리의 양자판이라고 할 수 있습니다. 기존 메모리가 0과 1의 이진 정보를 저장하는 반면, 양자 메모리는 **큐비트(qubit)**로 표현되는 양자 상태 자체를 저장합니다en.wikipedia.org. 큐비트는 양자 중첩을 통해 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있고, 또한 다른 큐비트와 양자 얽힘된 상태로 존재할 수 있습니다. 양자 메모리는 이러한 중첩과 얽힘 상태를 측정하지 않고도 보존해야 한다는 점에서, 정보를 읽으면 바로 값이 복제되거나 훼손되지 않는 고전 메모리와 근본적으로 다릅니다postquantum.com. 실제로 알 수 없는 양자 상태는 고전적으로 복사할 수 없으며(노-클로닝 정리), 큐비트를 측정하면 해당 상태가 붕괴되어(중첩이 사라져) 얽힘 등의 양자 특성이 파괴됩니다postquantum.com. 따라서 양자 정보의 저장은 비파괴적으로 이루어져야 하며, 환경과 격리시켜 **코히런스(coherence)**를 최대한 오래 유지하는 것이 핵심입니다.

양자 메모리는 일반적으로 정지(quiescent)된 물리적 양자 시스템에 정보를 저장하는 방식으로 동작합니다. 예를 들어 빛의 형태로 이동하는 “비행(flying)” 큐비트(광자)를 “정지(stationary)” 큐비트(원자 또는 고체 내 스핀 등)에 일시적으로 매핑하여 저장했다가 나중에 다시 꺼내는 식입니다postquantum.compostquantum.com. 이때 저장되는 매질의 양자상태(예: 원자의 스핀 상태 또는 에너지 준위)는 초기 광자 상태의 **양자 정보 (진폭과 위상 등)**를 그대로 간직하게 됩니다. 이렇게 저장된 큐비트는 외부 간섭이나 잡음에 의해 상태가 붕괴되지 않는 한, 나중에 다시 광자 등으로 변환하거나 양자 연산에 재사용할 수 있습니다. 양자 메모리는 양자상태를 가능한 오랜 시간 유지해야 하므로, 코히런스 시간(quantum coherence time)이라는 지표로 성능을 평가합니다. 코히런스 시간이 길수록 메모리가 양자 정보를 잃지 않고 오래 보존할 수 있음을 의미합니다. 예를 들어, 이온을 이용한 양자 메모리의 경우 수 초에서 수십 분에 이르는 매우 긴 코히런스 시간이 연구에서 보고되고 있습니다postquantum.com. 반면 초전도 회로 기반 큐비트는 코히런스 시간이 마이크로초(백만분의 1초) 수준으로 짧아, 별도의 보완 없이는 장기 저장용으로 사용하기 어렵습니다.

요약하면, 양자 메모리는 양자얽힘과 중첩 등 “양자 정보”를 그대로 저장하여 필요한 시점까지 유지했다가, 요구 시 그 상태를 다시 꺼내 사용할 수 있게 해주는 기술입니다. 이러한 능력은 양자 통신망에서 먼 거리 노드 간의 동기화와 버퍼링을 가능하게 하고, 양자 컴퓨팅에서도 중간 연산 결과를 퀀텀 상태로 유지하거나 오류 수정에 활용되는 등 다양한 응용의 토대가 됩니다postquantum.com. 기존 메모리처럼 값(0 또는 1) 자체를 저장하는 것이 아니라 값이 “얼마나 0이고 얼마나 1인지”라는 양자 상태 그 자체를 보존한다는 점에서, 양자 메모리는 고전 메모리와 작동 원리가 근본적으로 다릅니다.

2. 양자 메모리의 구현 기술 유형과 물리적 방식

양자 메모리는 다양한 물리적 플랫폼을 이용해 구현되며, 각각 장단점과 작동 방식이 다릅니다. 현재 활발히 연구 중인 구현 방식으로 이온 포획(trapped ion), 초전도 회로, 고체 상태 결함(spin), 원자/광학적 메모리 등이 있으며, 각 접근법의 특징을 정리하면 다음과 같습니다.

• 이온 트랩 기반: 전기장으로 포획한 개별 이온(단일 원자)을 큐비트로 사용하여 양자 정보를 저장합니다. 이온의 전자 또는 핵스핀 상태를 0/1 상태로 정의하며, 진공 및 전자기장으로 잘 격리하여 아주 긴 코히런스 시간을 확보할 수 있는 것이 강점입니다postquantum.com. 실제로 레이저로 이온을 냉각하고 잡아둔 상태에서는 수 초에서 수십 분까지 양자상태가 유지된 사례도 보고되었으며, NIST 연구에서는 트랩된 이온 큐비트가 30분 이상 코히런스를 유지한 기록이 있습니다postquantum.com. 또한 레이저 광 제어 기술을 활용하여 높은 충실도로 이온을 초기화, 얽힘 연산 및 읽어내기가 가능하여 양자 컴퓨팅에도 활용되고 있습니다postquantum.compostquantum.com. 이온 트랩 메모리의 단점은 네트워크에 연결하기 위한 광자 인터페이스가 어렵다는 점입니다postquantum.com. 이온이 자연적으로 방출하거나 흡수하는 광자의 파장이 보통 자외선~가시광 대역으로, 표준 **광통신망(1550nm)**과 맞지 않아 직접 광섬유로 보내기 어렵습니다postquantum.com. 이를 해결하려면 양자 주파수 변환기로 이온 광자를 텔레콤 대역으로 바꾸거나, 혹은 애초에 통신 적합한 파장의 전이를 가진 이온(예: 스트론튬 이온의 1550nm 대역 전이)을 통신용 이온으로 따로 두는 이종 이온 하이브리드 구성이 필요합니다postquantum.com. 이처럼 포획 이온 메모리는 충실도와 안정성 면에서는 뛰어나지만, **속도(광자 발신/흡수 속도가 낮음)**와 집적화 면에서 한계가 있어 대형 네트워크에 쓰기 위해서는 추가 공학적 해결이 필요합니다postquantum.com. 그러나 소규모 양자 네트워크의 고품질 양자 RAM으로는 매우 유망하며, 통신 친화적 설계를 위한 연구도 진행 중입니다.
• 초전도 큐비트 기반: 반도체 공정을 통해 만든 초전도 조셉슨 접합 회로를 큐비트로 사용하는 방식입니다. 초전도 큐비트는 나노회로에서 특정 전자 진동 모드(예: 0, 1 두 상태)를 이용하는 인공 원자로 볼 수 있으며medium.com, 극저온에서 동작하면서 마이크로파 신호로 제어됩니다. 이 자체의 코히런스 시간은 수십 마이크로초 정도로 짧지만, 이를 보완하기 위해 초전도 큐비트를 고품질 **3D 마이크로파 공진기(cavity)**에 결합하여 상태를 저장하는 기술이 개발되었습니다. 예를 들어, Yale 대학 등에서는 초전도 공진기의 모드에 큐비트 상태를 맵핑하여 밀리초 수준의 저장을 구현, 초전도 프로세서의 일종의 RAM으로 활용한 바 있습니다postquantum.com. 이렇게 마이크로파 광자를 공진기에 가두면 초전도 회로보다 훨씬 오랫동안 상태가 유지되어 메모리로 쓰일 수 있습니다postquantum.com. 다만 이러한 메모리는 마이크로파 주파수에 국한되므로, **양자 네트워킹(광통신)**과 직접 연결되진 않습니다. 대신 초전도 양자컴퓨터 내부에서 임시 버퍼나 레지스터처럼 쓰이며, 양자 알고리즘 실행 중 중간 상태를 저장하거나 병렬 연산을 구현하는 데 이용됩니다postquantum.com. 요약하면, 초전도 방식은 반도체 공정 호환성과 빠른 연산이 장점이지만, 코히런스 시간이 짧아 장시간 저장에는 부적합하며, 광자 변환 등 별도 장치 없이는 광통신과 연계하기 어렵습니다.
• 원자 집합/광학적 메모리: 다수의 원자들로 이뤄진 **원자 앙상블(ensemble)**에 빛의 양자 상태를 저장하는 방식입니다. 흔히 알칼리 원자(루비듐, 세슘 등)의 기체를 이용하며, 전자기적으로 유도된 투명화(EIT) 등의 광학 효과를 활용해 단일 광자를 원자들의 집단적 상태로 흡수시켰다가 다시 방출합니다postquantum.compostquantum.com. 수백만 개 원자로 구성된 한 원자 구름에 한 개 광자의 정보를 쓰면, 그 광자의 위상과 진폭 정보가 원자들의 스핀 파(spin-wave) 형태로 저장됩니다postquantum.com. 이 방식의 장점은 광자와의 인터페이스가 용이하다는 점입니다 – 원하는 파장의 광자를 그냥 원자 셀 안에 쏘아 넣으면 되므로, 이온처럼 개별 제어나 미세한 공동(cavity) 정렬 없이도 구현이 비교적 수월합니다postquantum.com. 또한 한꺼번에 여러 모드(다른 색깔의 광자, 시간슬롯 등)를 한 앙상블에 저장하는 **다중모드(multiplexing)**가 가능해, 메모리 용량을 늘리거나 전송 속도를 높이는 데 유리합니다postquantum.compostquantum.com. 원자 앙상블 메모리의 코히런스 시간은 냉각 원자 기준으로 보통 밀리초~수 초 수준이며, 경우에 따라 특정 실험에서 1초 이상 저장에 성공한 예도 있습니다postquantum.compostquantum.com. (예: 초저온 루비듐 원자에서 수 초간 단일 광자 상태를 유지한 실험). 한편 실온 원자 기체(예: 증기 셀)로 구현하면 냉각이 필요 없어 실용성이 높지만, 원자들이 열운동을 하여 코히런스 시간이 마이크로초대로 짧아지는 단점이 있습니다postquantum.com. 원자 앙상블 메모리의 과제로는 읽기 효율이 100% 미만이라는 점과, 장시간이 지날수록 저장된 여기(excitation)가 원자 내부 다른 모드로 소실될 수 있다는 문제가 있습니다postquantum.com. 그럼에도 불구하고 현재까지 가장 먼 거리 양자 메모리 간 얽힘 실험 등 기록적인 성과들은 이 광학적 원자 메모리를 통해 이루어졌습니다postquantum.com. 실제로 중국 과학자들은 두 개의 루비듐 원자 앙상블 메모리를 광자에 얽힌 상태로 만들어, 50 km에 이르는 광섬유 거리를 사이에 두고도 성공적으로 얽힘을 분배한 바 있습니다sciencealert.comsciencealert.com. (이 실험은 이전 기록인 약 1.3 km를 40배 정도 경신한 것으로, 양자 인터넷 구현 가능 거리를 도시 규모로 확장했다는 평가를 받았습니다sciencealert.comsciencealert.com.) 이렇듯 원자/광학 메모리는 중간 정도의 코히런스와 중간 정도의 저장 효율을 가지지만, 광자와 직접 상호작용하고 다중화로 속도를 보완할 수 있어 양자 중계기(Quantum Repeater) 용도로 가장 많이 연구되고 있습니다postquantum.compostquantum.com.
• 고체 상태 결함 기반: 다이아몬드 내 질소-빈자리(NV) 센터와 같은 결함 중심, 또는 희토류 이온을 도핑한 결정 등 고체 물질 내의 양자상태를 이용한 메모리입니다. 이들은 반도체 칩에 집적할 수 있고, 수많은 메모리를 배열하기 쉬우며, 포토닉스와 결합해 칩 스케일 양자 메모리를 만들 수 있다는 장점이 있습니다postquantum.compostquantum.com. 대표적인 예인 NV 센터의 경우, 전자를 가둔 스핀 시스템으로 마이크로파 제어와 광자 검출이 모두 가능해 단일 결함이 메모리 노드로 동작할 수 있습니다postquantum.compostquantum.com. NV 센터 전자스핀의 코히런스 시간은 저온에서 밀리초까지 도달하며, 특히 주변의 탄소-13 핵스핀을 보조기억으로 활용하면 수 초에서 심지어 시간 단위까지도 양자상태를 보존할 수 있습니다postquantum.compostquantum.com. 실제로 2021년 네덜란드 Delft 대학에서는 3개의 다이아몬드 NV 센터 노드를 연결한 세계 최초의 양자 네트워크를 시연했는데, 여기서 중간 노드의 탄소 핵스핀을 메모리로 활용하여 앞서 얻은 얽힘을 수 초간 보관하고, 그 동안 다른 노드와 얽힘을 추가로 생성한 뒤 **얽힘 스와핑(entanglement swapping)**으로 최종적으로 3개 노드가 얽히도록 만들었습니다postquantum.compostquantum.com. 이 실험은 **NV 센터 전자스핀(통신용 빠른 큐비트)**과 **핵스핀(장기 메모리 큐비트)**의 역할 분담으로 가능했으며, 고체 결함 메모리의 실용 가능성을 보여준 사례입니다postquantum.compostquantum.com. NV 센터 기반 메모리의 약점은 결함으로부터 광자를 뽑아내는 효율이 낮고 광자의 색깔(637 nm)의 결맞음 시간이 짧아 먼 거리 전송에 불리하다는 점입니다postquantum.com. 또한 다이아몬드 결함을 칩 대규모로 제조하는 데에도 어려움이 있습니다. 이러한 이유로 NV의 대안으로 SiV 센터 등 다른 결함이 연구되는데, SiV의 경우 광학적 성능이 개선되어 광자에 의한 얽힘 분배에 유리하고 낮은 온도에서 준안정적입니다postquantum.compostquantum.com. 2023년 MIT 링컨 연구소에서는 SiV 센터를 이용한 나노포토닉 양자 메모리 모듈을 개발하여, 광섬유로 보내온 단일광자 상태를 칩 상의 SiV에 저장/재방출하는 데 성공했습니다postquantum.com. 특히 이 장치는 50 km 거리의 도시형 광섬유망과 연결된 상태로 퀴비트를 받아 저장 후 다시 내보내는 데 성공하여, 집적형 양자 중계기의 가능성을 시사했습니다postquantum.com. 한편 희토류 이온 결정을 이용한 고체 메모리도 큰 주목을 받는데, 예를 들어 유로퓸(Eu³⁺)이 도핑된 이트륨실리케이트(Y_2SiO_5) 결정은 극저온에서 수십 분~1시간에 이르는 경이적인 메모리 저장 시간을 시현하여 기록을 세웠습니다postquantum.com. 이러한 고체 상태 메모리 전반의 단점은 결정 내부의 격자 진동이나 잡음으로 인해 탈코히런스 요인이 존재하고, 극저온 냉각이 필요한 경우가 많다는 점입니다. 그럼에도 불구하고 칩화 및 대량생산 잠재력, 그리고 통신용 광자와 직접 연결할 수 있는 이점 때문에 고체 양자 메모리는 양자인터넷의 노드 장치로서 적극 연구되고 있습니다postquantum.compostquantum.com.

각 구현 기술의 특성을 정리하면 아래 비교표와 같습니다.

구현 방식물리적 시스템주요 장점주요 단점사례 및 동향 (2025년 기준)

이온 트랩	개별 이온 (원자) 포획	코히런스 시간 매우 김 (초~분 단위 유지)postquantum.com; 고충실도 제어 및 얽힘 게이트 성능 우수postquantum.com	광자 인터페이스 어려움 (방출 파장 통신 대역 아님)postquantum.com; 연산 속도 비교적 느림	NIST 이온 메모리 30분 유지postquantum.com; IonQ·Quantinuum 등 상용 이온트랩 컴퓨터에서 활용
초전도 회로	초전도 큐비트 + 3D 공진기 등	칩 집적 용이 (반도체 공정 활용); 게이트 속도 매우 빠름	코히런스 수십 μs로 짧음; 광자 변환 등 별도 인터페이스 필요	Yale 공진기 메모리 (ms 수준 저장)postquantum.com; IBM 등 다칩 양자 프로세서에 내부 메모리로 활용
원자 앙상블 (광학)	냉각 원자 구름 또는 실온 증기셀	광자 직접 상호작용 용이 (레이저로 쓰고 읽음); 다중모드 저장 가능postquantum.compostquantum.com	코히런스 ms~s(냉각 원자), µs(실온 원자)postquantum.com; 읽기 효율 제한, 잡음 등 존재postquantum.com	中 USTC 원자 메모리 얽힘 50 km 달성postquantum.com; NIST EIT 메모리 연구 등 양자 중계기 적용
고체 결함 (NV 등)	다이아몬드 NV/SiV 센터, 희토류:Eu 등 결정	장기 메모리 (핵스핀 초~시간대 코히런스)postquantum.compostquantum.com; 칩스케일 통합 가능 (포토닉스 결합)postquantum.com	광자 추출 효율 및 광자 코히런스 짧음 (NV 637nm 등)postquantum.com; 대규모 결함 제어 어려움	Delft 3-노드 NV 네트워크 (핵스핀 메모리)postquantum.com; MIT SiV 칩 메모리 (50 km 연동)postquantum.com
하이브리드 접근	이종 큐비트 결합 (듀얼species 등)	각 방식 장점 결합: 예) Sr 이온(통신)+Ca 이온(메모리) 협업postquantum.compostquantum.com	구현 복잡성 높음 (다른 양자시스템 간 인터페이스 유지 어려움)	Oxford 이온 듀얼스피시즈 노드postquantum.com; 초전도-광자 변환기 연구 진행 중postquantum.com

 

표: 다양한 양자 메모리 구현 기술의 특성 비교 (장점/단점 및 2025년 동향)

3. 전세계 주요 연구기관 및 기업의 양자 메모리 개발 현황

양자 메모리는 양자 컴퓨팅과 통신의 핵심 요소로 인식됨에 따라, 글로벌 주요 기업들과 연구기관들도 관련 기술을 적극 개발하고 있습니다. 특히 IonQ와 같은 신생 기업부터 IBM, Google, **Honeywell (Quantinuum)**과 같은 대기업, 그리고 대학 및 국가 연구소들까지 각자의 플랫폼에 맞는 양자 메모리 전략을 추진 중입니다. 아래에서는 주요 플레이어들의 동향과 전략을 살펴봅니다.

• IonQ: IonQ는 미국 메릴랜드대에서 스핀오프된 대표적 트랩 이온 양자컴퓨팅 기업으로, 양자 메모리를 포함한 양자 네트워킹 기술에 매우 집중하고 있습니다. IonQ의 기본 하드웨어는 레이저로 제어되는 이온 트랩으로, 개별 이온들이 자연적으로 긴 코히런스를 가져 메모리 역할을 겸하고 있습니다. IonQ는 한 걸음 더 나아가, 다수의 트랩을 광신호로 상호 연결하는 모듈형 양자컴퓨터 구성을 전략으로 내세우고 있습니다ionq.com. 이를 위해 IonQ는 광자 상호연결 및 양자 메모리 기술을 내부에 확보하려는 행보를 보이고 있습니다. 20232025년에 걸쳐 IonQ는 관련 핵심 기업들을 잇따라 인수하며 기술 역량을 키웠습니다. 2024년에는 미 공군과 5,450만 달러 규모의 양자 네트워크 개발 계약을 체결하고, Qubitekk라는 양자네트워킹 장비 회사를 전격 인수하여 118건의 특허를 포함한 기술을 확보했습니다ionq.com. 이로써 IonQ의 양자 네트워킹/보안 관련 특허 포트폴리오는 총 600건 이상으로 확대되었습니다ionq.com. 2025년 5월에는 **ID Quantique (IDQ)**사의 지분을 인수하여 양자암호통신(QKD) 분야까지 포괄하는 엔드투엔드 양자솔루션 기업으로 발돋움했습니다ionq.comionq.com. 가장 주목할 만한 것은 2025년 IonQ가 발표한 Lightsynq 인수입니다. Lightsynq는 하버드대와 AWS 양자네트워킹 센터 출신들이 설립한 스타트업으로, 양자 메모리 전문 팀과 20여 건의 양자 메모리 관련 특허를 보유하고 있었습니다ionq.comionq.com. IonQ는 이 인수를 통해 장시간 양자 메모리와 광자 양자중계기 기술을 자사 로드맵에 편입했으며, 이를 통해 “수만수백만 큐비트” 확장을 향한 뚜렷한 청사진을 확보했다고 밝혔습니다ionq.comionq.com. 실제로 IonQ의 CEO는 “IonQ의 비전은 양자 중계기를 통해 양자 네트워크를 스케일링하고, 광자 상호연결로 양자 컴퓨팅 파워를 확장하는 것”이라고 언급하며, Lightsynq 기술진이 이를 가속할 것이라 강조했습니다ionq.com. 기술적으로, IonQ는 하나의 이온 트랩 내 전통적 양자컴퓨터를 우선 상용화하면서 (현재 29큐비트 Aria, 35큐비트 Forte 시스템 제공 중), 다음 단계로 여러 트랩 모듈을 광링크로 연결하는 방식으로 큐비트 수를 기하급수적으로 늘릴 계획입니다ionq.com. 2023년 IonQ 연구진은 **서로 다른 두 이온 트랩 간 원격 얽힘(ion-ion entanglement)**을 광자 통신으로 실현하는 데 성공했으며, 이 성과를 다중 프로세서 양자 컴퓨팅으로 확장하기 위한 중요한 이정표로 보고했습니다ionq.com. 또한 IonQ는 미 국방성 등과 협력하여 “블라인드 양자컴퓨팅”(사용자 데이터가 암호화된 상태로 처리되는 기술) 네트워크를 개발 중인데, 이는 원거리 노드 간 양자얽힘을 활용하는 양자네트워크 응용 사례로서, 양자 메모리가 핵심적인 역할을 합니다ionq.com. 요약하면 IonQ는 트랩 이온의 강력한 메모리 특성을 기반으로, 광자 인터페이스와 양자 메모리 노드 기술을 결합하여 양자 컴퓨터+네트워크 융합 전략을 가장 선도적으로 추진하는 기업입니다.
• IBM: IBM은 현재 초전도 큐비트 기반 양자컴퓨터 개발을 주도하고 있으며, 수백~천 큐비트 단위의 칩을 제작하는 데 집중하고 있습니다. IBM의 로드맵은 2023년 433큐비트 Osprey, 2025년까지 1000+ 큐비트 Condor 및 4000+ 큐비트 Kookaburra 칩 등 대형 단일 프로세서를 구현하는 것을 목표로 합니다medium.com. 이러한 아키텍처에서는 아직 별도의 “양자 메모리” 모듈이 등장하지는 않습니다. 대신 IBM은 동적 회로(dynamic circuits) 기술을 통해 중간 측정 결과를 실시간 처리하고 다시 피드백하여 회로를 줄이거나 오류를 검출하는 방식을 개발 중이며ibm.comibm.com, 실시간 클래식 통신으로 다수 칩을 연결하는 “양자 중심 슈퍼컴퓨터” 구상을 내놓았습니다ibm.comibm.com. 2023년에 발표된 IBM Heron 프로세서는 133큐비트 칩 여러 개를 고속 고전 통신으로 묶어 마치 하나의 큰 프로세서처럼 사용하는 기능(일명 “knitting” 기술)을 시연했는데ibm.com, 이는 양자 채널이 아닌 고전 채널로 연결하는 방식입니다. IBM은 아직 이종 양자프로세서를 양자 얽힘 채널로 직접 연결하는 발표는 없지만, 향후 오류보정 규모 확대를 위해 광학적 또는 양자통신적 연결 연구 가능성을 열어두고 있습니다. 요약하면 IBM은 현 단계에서는 대형 모놀리식 칩에 주력하고 있어 독립형 양자 메모리 장치를 전면에 내세우고 있진 않으며, **중간측정-재초기화(클래식 메모리)**로 메모리 기능을 일부 대체하는 전략입니다. 다만, IBM Research 차원에서는 향후 멀티칩 분산 양자컴퓨팅이나 양자 네트워크에 대비한 연구도 진행하고 있으며, 예를 들어 2022년 두 개의 초전도 양자칩을 마이크로파 링크로 얽히게 하는 연구를 수행하는 등 초보적인 양자 중계 실험을 시도한 바 있습니다 (추후 기술 성숙 시 양자 메모리와 결합 가능).
• Google: 구글 역시 IBM과 더불어 초전도 양자컴퓨터 분야의 선두주자로, 2019년 53큐비트 양자우월성 실험과 2023년 오류보정 시험 등을 발표했습니다. 구글의 하드웨어 로드맵도 단일 칩의 성능 향상과 오류보정에 집중되어 있으며, 양자 메모리에 대한 뚜렷한 독자적 개발계획은 공개되지 않았습니다. 구글은 양자 네트워킹보다는 양자 알고리즘 및 오류보정 연구에 집중해왔으며, 원거리 양자통신 쪽으로는 큰 행보가 없었습니다. 다만, 구글이 참여하는 연구협력으로 광자-초전도 양자상호변환기 등 기술이 개발되고 있고, 구글 클라우드 내에서 다양한 하드웨어를 묶는 플랫폼을 운영하고 있어 장기적으로 분산 양자컴퓨팅에도 관심을 가질 가능성은 있습니다. 2025년 현재까지는 구글이 직접적 양자 메모리/네트워크 시연을 했다는 소식은 없으며, 구글의 Sycamore 프로세서들은 모두 한 냉장고 내의 초전도 큐비트로 구성되어 동작하고 있습니다. 요약하면 구글은 양자 메모리 자체보다는 초전도 큐비트 성능과 규모 확장에 우선 집중하고 있는 상황입니다.
• Honeywell (Quantinuum): Honeywell Quantum Solutions는 Cambridge Quantum과 합병하여 Quantinuum으로 재탄생한, IonQ와 더불어 양자컴퓨터 상용 클라우드를 운영하는 트랩 이온 플랫폼 기업입니다. Honeywell/Quantinuum의 접근은 IonQ와 달리 QCCD(Quantum Charge-Coupled Device) 아키텍처라 불리며, 이온들을 칩 표면 전극으로 된 복수의 영역으로 이동시키면서 연산하는 방식입니다honeywell.compostquantum.com. 이 구조에서는 메모리 영역과 게이트 연산 영역을 나누어 설계할 수 있어, 일부 이온을 대기 상태로 보관하면서 다른 이온 쌍을 게이트 연산하는 병렬 처리가 가능합니다honeywell.comjdhsmith.math.iastate.edu. 실제 Honeywell의 H1 장비는 여러 구역에서 3쌍의 이온 연산을 동시 수행한 바 있고honeywell.com, 필요시 특정 이온을 다른 영역에 격리 이동시켜 두는 “숨김” 기법으로 주변 레이저 간섭을 줄이는 연구도 이뤄졌습니다honeywell.comhoneywell.com. 이는 일종의 양자 메모리 존을 활용한 것으로, 측정이나 게이트를 하지 않는 큐비트를 옮겨놓음으로써 **다른 큐비트 연산 중 발생하는 잡음(crosstalk)**을 줄인 결과, 오차를 10배 감소시켰다는 발표도 있었습니다honeywell.com. 이러한 기술은 중간 측정 후 이온을 재활용하거나 하는 동적 회로 운영에 필수적이며, Honeywell은 2021년 세계 최초로 트랩 이온에서 미드-서킷 측정 및 재사용을 구현하여 적은 큐비트로 복잡한 알고리즘을 실행해 보이기도 했습니다honeywell.com. Quantinuum의 향후 전략 역시 IonQ와 유사하게 모듈형 확장을 염두에 두고 있습니다. 향후 다중 이온트랩 모듈을 광학적으로 연결하기 위해 영국 등에서 관련 연구 프로젝트에 참여하고 있고, 자체적으로도 이온-광자 결합 효율 향상, 이중 종(species) 이온 기술 등을 연구 중입니다. 정리하면 Quantinuum은 현 시점까지 단일 장비 내 메모리 활용 최적화에 초점을 맞추고 있으며, 분산형 양자컴퓨팅을 위한 메모리 네트워크는 향후 과제로 추진하고 있습니다.
• 그 외: 이 밖에도 전 세계에서 다양한 기관들이 양자 메모리와 네트워킹을 연구개발하고 있습니다. **AWS (Amazon)**는 2021년 AWS 양자네트워킹 센터를 설립하고 하버드/캘텍 등과 함께 광자-원자 메모리 인터페이스를 연구해왔으며, 해당 센터 핵심 인력이 앞서 언급한 IonQ-Lightsynq로 스핀아웃될 정도로 이 분야에 주력하고 있습니다. 마이크로소프트는 주로 위상 큐비트 쪽에 집중하고 있어 양자 메모리 소식은 드물지만, 일부 연구팀에서 고체 결함 센터를 이용한 네트워크 실험에 관여한 바 있습니다. 중국은 국책으로 양자위성 및 양자인터넷 계획을 추진하면서, **과학기술대학(USTC)**과 상하이 과기대 등을 중심으로 원자 앙상블 메모리 및 양자 중계기 실험에서 세계 기록을 경신하고 있습니다(예: 앞서 언급한 50 km 메모리 얽힘 분배sciencealert.com, 15편 이상의 양자중계 관련 논문 등). 유럽에서는 네덜란드 QuTech(Delft), 독일 막스플랑크 연구소, 프랑스 파스칼/CEA 등이 NV 센터나 희토류 결정 기반의 메모리 네트워크를 선도하고 있고, EU Quantum Internet Alliance 사업을 통해 수년 내 메모리 장착 양자 중계기 실증을 목표로 하고 있습니다. 일본 NICT 등도 도시 간 양자통신에 메모리를 접목하는 연구를 발표하고 있습니다. 한국의 경우 ETRI와 KAIST 등이 루비듐 원자메모리 및 양자 중계 프로토콜을 연구 중이며, 2023년 최초로 원자 메모리를 활용한 양자鍵분배(QKD) 거리 확장 실험을 시도하는 등 초기 연구 단계입니다. 이처럼 글로벌 기업과 연구기관들은 각자의 양자 플랫폼에 맞춘 메모리 기술을 전략적으로 개발하여, 궁극적으로 양자 컴퓨터의 확장성과 양자 인터넷 실현을 앞당기려 하고 있습니다.

4. 양자 메모리의 응용 분야

양자 메모리는 양자통신, 양자컴퓨팅, 양자센싱 네트워크 등 폭넓은 분야에서 필수적인 구성요소로 떠오르고 있습니다. 주요 응용 시나리오를 몇 가지로 나누어 살펴보겠습니다.

• 양자 통신과 양자 인터넷: 양자 메모리는 **양자 암호통신(QKD)**이나 미래의 양자 인터넷 구축에 있어 핵심적인 역할을 합니다. 오늘날 QKD는 직렬 중계(암호키 중계노드) 방식으로 수백 km 전송이 가능하지만, 진정한 양자 네트워크를 만들려면 중간 노드들이 양자 얽힘을 중계해주는 **양자 중계기(quantum repeater)**가 필요합니다. 양자 메모리가 바로 이러한 양자 중계기의 필수 구성요소입니다aliroquantum.comaliroquantum.com. 구체적으로, 예를 들어 A와 B 간 수백 km를 여러 구간으로 나누어 각 구간에서 얽힘 쌍(광자 쌍 또는 메모리-광자)을 생성한다고 할 때, 모든 구간이 동시에 성공하지 않으면 끝점까지 얽힘이 전달되지 않습니다. 이 확률적 과정을 효율적으로 만들기 위해 중간 노드에 양자 메모리가 있어서, 한 구간에서 먼저 얻어진 얽힘을 버퍼링해 놓고 다른 구간들이 성공하기를 기다릴 수 있어야 합니다postquantum.compostquantum.com. 각 구간이 모두 얽힘을 얻으면, 노드에서 저장해둔 큐비트들끼리 벨 상태 측정을 수행하여 얽힘을 스와핑하면 최종 노드 간의 얽힘이 완성됩니다postquantum.compostquantum.com. 양자 메모리가 없다면, 먼저 성공한 얽힘은 다른 구간이 완료될 때까지 환경 노이즈로 사라지거나 decoherence로 손실되어 버리므로 장거리 얽힘 전송은 사실상 불가능합니다postquantum.compostquantum.com. 이렇듯 양자 메모리는 양자통신망에서 일종의 버퍼 역할을 수행하여, 여러 세그먼트의 양자연결을 **동기화(synchronize)**하는 것을 가능케 합니다postquantum.compostquantum.com. 궁극적으로 양자 인터넷에서는 수많은 노드들이 메모리로 얽힘을 저장·교환하며 신뢰할 수 없는 중계기 없이도 보안통신을 할 수 있고, 분산형 양자계산이나 원격 양자센싱 등 새로운 응용도 펼쳐집니다. 이미 간단한 예로 중국과 유럽 연구진은 양자 메모리를 장착한 QKD를 시연하여, 메모리가 없는 경우 대비 훨씬 먼 거리까지 안전한 키를 공유하는 데 성공하였습니다. 양자 인터넷의 비전 하에서, 도시-도시 간에는 광자/위성 링크로 얽힘을 전달하고, 각 도시에 있는 메모리 노드에서 이를 모아 장거리 얽힘으로 연결하는 구조가 제안됩니다. 예를 들어 위에서 언급한 중국 USTC의 50 km 메모리 얽힘 실험은 향후 수백 km 급 양자망으로 확장하기 위한 중계 기술의 청사진을 제시한 것이며, Delft의 NV 센터 3-노드 네트워크 실험은 양자 라우터/스위치 개념을 보여준 것입니다postquantum.compostquantum.com. 또한 양자 메모리는 양자 위성통신에도 응용될 것으로 기대됩니다. 2017년 발사된 중국의 묵자(Micius) 양자위성은 onboard 메모리 없이 실시간 링크만 활용했지만postquantum.com, 향후에는 위성에 광학 양자메모리를 탑재하여 위성이 시야에 없는 동안에도 얽힘을 저장하는 개념 등이 논의되고 있습니다postquantum.com. 요약하면, 양자 메모리는 양자통신의 거리 한계를 돌파하고 네트워크화를 가능케 하는 핵심 부품으로, 양자 인터넷의 실현을 위한 초석입니다.
• 양자 컴퓨터의 레지스터/버퍼: 양자 메모리는 양자컴퓨팅 시스템 내부에서도 활용될 전망입니다. 현재의 양자컴퓨터는 수십~수백개의 논리 큐비트를 동시에 다루지만, 앞으로 수천~수백만 큐비트로 나아가기 위해서는 메모리 계층 개념이 필요하다는 논의가 있습니다postquantum.com. 일례로, 큰 양자 알고리즘을 실행할 때 전체 큐비트를 한꺼번에 연산에 투입하지 않고, 일부 큐비트는 메모리 모드로 대기시켰다가 필요시에 가져다 쓰는 방식을 생각할 수 있습니다. 이는 고전 컴퓨터의 레지스터와 RAM처럼, 빠른 연산 전용 큐비트와 장기 저장용 큐비트를 역할 분담시키는 아이디어입니다postquantum.compostquantum.com. 실제 구현 예로, 앞서 소개한 Delft NV 센터 네트워크에서 **전자스핀 (빠른 통신/연산)**과 **핵스핀 (느리지만 오래 저장)**이 한 시스템 내에서 협력한 것이나, Oxford의 듀얼-이온 실험에서 **Sr 이온 (광자 잘 내는 통신용)**과 **Ca 이온 (코히런스 긴 메모리용)**을 한 덩어리로 활용한 것이 해당 아이디어의 사례입니다postquantum.compostquantum.com. 이러한 이기종 큐비트 하이브리드는 한 시스템 내에서 메모리 역할을 수행하는 큐비트를 두는 것으로, 향후 대형 양자컴퓨터에서 쓰일 가능성이 있습니다. 또 다른 예는 **양자 RAM(QRAM)**이라는 개념으로, 고전 정보를 양자상태로 빠르게 불러오는 메모리 어레이를 가정한 것입니다. QRAM은 양자 알고리즘(예: 양자 머신러닝)에서 대규모 데이터 로딩을 가정할 때 등장하는 모델로, 아직 물리적으로 구현되진 않았지만, 양자 메모리 소자들을 트리 형태로 구성해 실현하려는 연구가 있습니다. 이밖에 중간측정 피드백이 필요한 양자 알고리즘에서는 (예: 양자 오류정정에서 사이킷 측정 후 보정 등) 현재는 그 결과를 고전 메모리에 저장하지만, 장차 오류정정된 양자컴퓨터에서는 측정 없이 큐비트 상태를 메모리에 보존한 채 다른 연산을 수행하는 방식도 상정할 수 있습니다. 예컨대 분산 양자컴퓨팅 환경에서 한 머신이 다른 머신으로 텔레포테이션으로 큐비트를 보내고, 그 고객 큐비트를 상대 머신에서 사용하기 전까지 양자 메모리에 보관해 두는 시나리오 등이 가능합니다postquantum.compostquantum.com. Summarizing, 양자컴퓨팅에서 양자 메모리는 일시적 데이터 보관 및 재사용을 가능케 하여 회로 깊이를 줄이고, 복잡한 연산을 적은 큐비트로도 실행할 수 있게 하며, 여러 프로세서를 유연하게 결합하는 데 기여할 것으로 기대됩니다.
• 양자 센서 및 기타 분야: 양자 메모리는 양자 센싱 및 분산 측정 분야에서도 응용 가능합니다. 예를 들어 분산형 양자센서 네트워크에서 각 센서가 수집한 양자상태를 메모리에 저장하고 적절한 시점에 공동 측정하면 양자 상관을 활용해 민감도를 높일 수 있습니다. 또한 양자 반복 횟수 증폭(quantum repeater)에 의한 정확도 향상처럼, 메모리에 여러 결과를 쌓아두었다 처리하는 방식도 연구되고 있습니다. 다중 광자 간 복잡한 얽힘 상태(예: GHZ 상태)를 생성할 때도, 중간 결과를 메모리에 저장함으로써 동시에 많은 광자를 생성해야 하는 부담을 줄일 수 있습니다postquantum.compostquantum.com. 한편, 블라인드 양자 컴퓨팅이나 양자 보안 프로토콜에서도 메모리가 활용되는데, 이는 사용자의 퀴비트를 원격 서버에 보내 해당 상태를 서버 메모리에 저장한 채 연산하도록 함으로써, 서버가 실제 데이터를 알 수 없게 하는 기술입니다. 이 경우 서버 측 양자 프로세서가 메모리에 얽힘된 사용자 큐비트를 일정 시간 유지하면서 연산해줘야 하므로, 신뢰할 수 없는 환경에서 양자 정보 유지라는 측면에서 메모리가 중요합니다. 이처럼 양자 메모리는 양자정보를 지연시켜 적절한 시점에 활용한다는 공통 목적 하에, 통신, 계산, 센싱 등 다양한 분야의 양자 기술 인프라로서 필수적인 역할을 수행하게 될 것입니다.

5. 2025년 기준 최신 연구 동향 및 상용화 수준

2025년 현재, 양자 메모리는 여전히 연구 단계의 기술이지만, 최근 몇 년간 비약적인 진전이 이루어지며 초기 상용화의 문턱에 다가서고 있습니다. 최신 동향과 상용화 수준을 정리하면 다음과 같습니다.

(a) 연구 성과와 기록 경신: 양자 메모리 분야에서는 코히런스 시간, 전송 거리, 다중화 등의 성능 지표에서 계속 기록이 갱신되고 있습니다. 앞서 언급했듯, 2020년 중국 USTC 팀은 50 km에 걸쳐 두 메모리 노드(루비듐 원자 앙상블)를 얽히게 하여 세계 최장 거리 얽힘 분배 기록을 세웠습니다sciencealert.com. 이는 도시 규모 거리에서 양자 중계기의 가능성을 보인 성과로 평가됩니다. 2021년 네덜란드 Delft 팀은 3개 노드 양자네트워크를 구현하여, 중간 노드의 양자 메모리를 활용한 양자 얽힘 스왑 및 원격 얽힘을 시연하였습니다postquantum.com. 이는 소규모이지만 실질적인 양자 인터넷 프로토타입으로 여겨지며, 네트워크 토폴로지 확장의 기반이 되었습니다. 코히런스 시간 측면에서는, 2022년 스위스 제네바 대학 등은 희토류 이온을 도핑한 고체 결정에서 1시간이 넘는 양자 상태 저장을 달성하여 세계 기록을 세웠습니다postquantum.com. 미국 NIST 연구팀도 트랩 이온으로 30분 이상 코히런스 유지 및 10^-3 이하 얽힘 연산 오류율을 보고하여, 실용적 양자 중계기 기준(수십분 유지, 스왑 오류 0.1% 이하)에 근접한 결과를 얻었습니다nist.gov. 또한 2023년에는 MIT 링컨연구소가 집적형 SiV 센터 메모리 모듈을 개발하여, 양자 메모리를 반도체 칩 형태로 구성하고 기존 광섬유 망과 접속하는 데 성공했습니다postquantum.com. 이 장치는 SiV 결함을 나노광학 공동에 넣어 효율을 높이고, 외부 50km 거리에서 온 광신호를 받아 9μs 동안 저장 후 다시 내보내는 기능을 시현했습니다postquantum.com. 이는 양자 중계기를 소형 광학 패키지로 구현하는 방향으로 중요한 진전입니다. 그 밖에도, 다중 모드 양자 메모리 분야에서도 2020년대 들어 큰 발전이 있었습니다. 예를 들어 호주나 캐나다 연구팀은 하나의 원자 앙상블에 수백개의 시간슬롯에 해당하는 다중 광자 상태를 저장하는 광대역 메모리를 선보였습니다. 이러한 다중화 능력은 양자중계의 속도 병목을 푸는 열쇠로 여겨집니다. 마지막으로, 양자 오류 수정(QEC) 개념이 메모리에 적용되는 연구도 등장하였습니다. 2022년 발표된 한 연구에서는 초전도 공진기에 보존된 양자정보를 보소닉 코드로 인코딩하여 단일 요소의 수명 한계를 넘어서는 저장을 구현하였고, 나아가 액티브 피드백으로 공진기 내 양자상태의 오류를 교정하는 방식도 모색되고 있습니다postquantum.com. 요컨대, 최근 양자 메모리 연구는 더 오래, 더 먼, 더 많이 저장하는 방향으로 빠르게 향상되고 있으며, 이러한 연구 성과들이 양자 인터넷 구축 로드맵의 마일스톤을 하나씩 달성해나가고 있습니다.

(b) 상용화 움직임: 양자 메모리는 이제 연구실을 넘어 초기 상용 제품이 등장하기 시작했습니다. 미국 뉴욕의 스타트업 Qunnect는 세계 최초의 상용 양자 메모리를 개발하여 2021년 시제품을 내놓았고, 2024년에는 미 에너지부 산하 브룩헤이븐 국립연구소(BNL)에 이를 판매했다고 발표했습니다. Qunnect의 메모리는 실온 동작하는 원자 증기셀 기반 메모리로, 수 μs 수준의 저장시간이지만 양자통신 연구자들이 실험에 바로 활용할 수 있는 상용 장비 형태로 제공됩니다. 실제로 Qunnect는 이 메모리와 이와 연계된 엔트로피 소스, 검출기, 시계 동기화 장치 등을 패키지로 공급하며, 2025년 현재 뉴욕 맨해튼-브루클린 사이 10마일 양자네트워크 시험망에 자사 메모리를 설치해 수일간 안정적인 동작을 검증했다고 보고했습니다. 이처럼 양자중계기 부분품들이 상품화 단계에 진입함에 따라, 2~3개 노드 간의 테스트베드 네트워크에서 곧 메모리 장착 양자 중계 실증이 이뤄질 전망입니다. 앞서 언급한 IonQ 역시 기업 인수를 통해 향후 상용 양자 데이터센터에 메모리 기술을 통합할 계획입니다. IonQ는 2028년까지 1024개 이상 모듈을 연결한 대형 양자컴퓨터 구축을 목표로 하면서, 그에 필요한 메모리 및 네트워킹 특허를 대거 확보해두고 있습니다ionq.comionq.com. Quantinuum도 2023년 차세대 시스템 H2를 발표하며 모듈형 확장 계획을 언급했고, 일본 NTT 등 통신 대기업들도 양자 리피터 개발을 위해 스타트업과 협력 중입니다. 국방 및 정부 기관 투자도 양자 메모리 상용화를 촉진하고 있습니다. 미 DARPA와 DOE는 수백만 달러 규모 프로젝트로 실용 양자중계기 시제품 개발을 지원하고 있고, EU 또한 EuroQCI 이니셔티브로 2027년까지 유럽 각국을 잇는 양자망에 중계기 기술을 투입할 예정입니다.

(c)Remaining Challenges: 2025년 시점에도 양자 메모리 상용화를 위해 남은 과제들이 있습니다. 첫째, 메모리 효율과 보관 시간의 양립이 어렵다는 점입니다. 오랫동안 저장하려면 상호작용을 줄여야 하는데, 그러면 나중에 광자를 다시 방출하는 효율이 떨어집니다. 현재 고체/원자 메모리의 단일모드 효율은 5070% 수준이며postquantum.compostquantum.com, 이를 90% 이상으로 높여야 실용적인 양자중계에 투입할 수 있을 것으로 보입니다. 둘째, 텔레콤 파장 호환성입니다. 많은 양자 메모리 (예: NV 센터, 루비듐 원자 등)가 1550nm가 아닌 파장에서 동작하므로, 이를 광자 변환기와 통합하거나 새로운 재료(예: Erbium 도핑 결정처럼 애초에 1550nm대응)를 찾아야 합니다postquantum.compostquantum.com. 셋째, 다큐비트 저장 (용량) 문제입니다. 현재 대부분의 메모리는 한 번에 1큐비트를 저장하거나, 많아야 몇 큐비트(다중모드) 정도인데, 향후 한 노드에서 수십수백 큐비트를 저장해야 네트워크 대역폭을 높일 수 있습니다postquantum.compostquantum.com. 이를 위해 메모리 소자의 멀티펙싱 기술과 메모리 어레이화 연구가 진행 중입니다. 마지막으로, 양자 메모리 표준화 및 인터페이스 측면에서도 노력 필요합니다. 상용 시스템에 쓰이려면 메모리의 동작 프로토콜 (예: 입력 광자 형태, 대역, 크기 등)이 인터페이스 규격으로 정립되고, 다른 장치들과 동기화할 수 있어야 합니다. 현재 Aliro, Quantum Networking Hub 등에서 이러한 인터페이스 표준 논의를 시작했습니다.

종합하면, 2025년 현재 양자 메모리는 연구실 실험에서 현실 시스템으로 넘어가는 과도기 단계에 있습니다. IonQ 등의 기업은 양자컴퓨터와 네트워크의 융합을 내다보며 양자 메모리를 전략 자산으로 확보하고 있고, Qunnect 같은 스타트업은 실제 판매 제품으로 첫걸음을 뗐습니다. 아직 대중적으로 완성된 양자중계기가 사용되는 상용 양자네트워크는 등장하지 않았지만, 수 년 내 소규모 도시 네트워크에 메모리가 도입되고, 2030년 전후로는 메모리 기반 양자 인터넷 시범망이 구축될 것으로 예상됩니다. 양자컴퓨팅 분야에서도 오류보정 및 모듈화를 위해 메모리 기술의 중요성이 커지고 있습니다. 이처럼 양자 메모리는 양자 정보 시대의 필수 인프라로 자리매김하고 있으며, 현재 진행중인 연구들과 초기 상용 시도가 머지않아 완전한 양자인터넷 및 확장형 양자컴퓨터로 결실을 볼 것으로 기대됩니다.

그림 1: NIST에서 구상한 트랩 이온 기반 양자 메모리 개념도nist.gov. 이온 트랩(좌측 노란부)에서 포획된 이온(녹색●)을 광섬유 기반 공동(cavity, 파란부)에 결합하고, 이온이 방출하는 854 nm 광자를 비선형 변환기(검은부)를 통해 1550 nm 통신 파장 광자로 변환하여 출력하는 구조이다nist.govnist.gov. 이 개념을 통해 이온의 긴 코히런스 특성과 광자의 먼 전송 특성을 결합하여, 수십 km 이상의 장거리에서도 수십 분간 유지되는 얽힘 분배를 실현하고자 한다.