양자 기술에는 양자 컴퓨터, 양자 시뮬레이터, 양자 통신, 양자 센싱 등 다양한 기술이 포함되며, 이들이 서로 깊은 관계를 맺으면서 적극적인 연구개발이 이루어지고 있다. 미국, 중국, 유럽 각국을 중심으로 양자 기술이 산업 경쟁력을 좌우할 것으로 인식되어, 대규모 정보 연구 개발 투자가 이루어지고 있다. 국가 안전 보장 측면에서도 기대되는 바가 크다. 대기업의 양자 암호 키 분배 및 양자 컴퓨터에 대한 적극적인 투자도 보이고 있어, 2021년 4월에는 우리나라도 국가의 미래 전략기술 확보를 위한 방안으로 양자기술 연구개발(R&D) 투자전략을 확정하고, 도전적인 원천기술 개발을 강화하겠다고 밝혀 양자기술 발전에 기대감을 높이고 있다. 양자 기술은 사회ㆍ경제적 과제를 해결하는 것뿐 아니라 새로운 학술 분야의 탄생에도 공헌하며, 전 세계의 새로운 흐름을 만들어, 미래의 성장ㆍ발전을 주도하는 중요한 기술이라 할 수 있다.

1. 양자 컴퓨터ㆍ양자 시뮬레이터 분야 연구개발 동향

현재의 양자 컴퓨터 붐에 불을 붙인 것은 2014년 캘리포니아 대학교 산타바바라 캠퍼스의 Martinis 그룹에 의한 초전도 5 큐비트 디바이스의 충실도 동작 실증이다. 비슷한 시기에 미국의 IT 기업이 연구개발을 시작한 것이 밝혀졌고, 소프트웨어ㆍ하드웨어 스타트업이 잇따라 설립되었다. 이러한 붐의 특징은 이론ㆍ실증 모두에 있어 공학적인 단계에 들어갔다는 점이다. 다양한 것이 제안되었는데, 대표적인 것으로는 초전도 큐비트와 이온 트랩이 있다. 그밖에 광양자, 반도체 양자 도트, 토폴로지컬 양자 등도 연구개발 되고 있다. 이들 모두 현재의 시스템상의 양자 게이트의 오류율이 높고, 의미 있는 결과를 얻을 수 있는 프로그램(양자 회로)의 크기가 한정되어 있다. 집적도와 게이트 정밀도는 양립하기 어려우며, 오류 내성 양자 컴퓨터를 실현하는 데에는 아직 시간이 더 필요할 것으로 보인다.

그러므로 현실적으로 손에 넣을 수 있는 오류 내성이 없는 양자 컴퓨터상에서 논리 오류를 허용하면서도 양자 컴퓨터에서 최초로 실행 가능한 계산을 실행하는 것이 중요한 연구개발 과제이다. 소규모 양자 디바이스는 NISQ(noisy intermediate-scale quantum)라 불린다. 다양한 서브루틴을 실제 기기에서 실행한 벤치마크도 보고된 바 있다. 슈퍼컴퓨터로는 만 년이 걸리는 난수생성 계산을 53 큐비트의 NISQ 프로세서를 통해 200초 만에 실행했다고, Google의 연구팀이 2019년 10월에 발표하여 화제를 모았다. 텐서 네트워크(Tensor Network)를 이용하는 등 계산을 조정하여 슈퍼컴퓨터의 계산 시간도 개선하였다.

하드웨어 기술이 발전함에 따라 그 계산 능력을 이끌어내는 소프트웨어의 중요성도 증가하고 있다. 소프트웨어 개발의 기반인 프로그래밍 언어 및 소프트웨어 개발 키트(SDK)가 제공되게 되어, 실제 기기 및 시뮬레이터에서 양자 프로그램을 실행할 수 있는 클라우드 플랫폼도 등장했다. 또한 NISQ 디바이스에서 실행할 것을 고려하여, 작은 양자 회로와 통계 처리 및 최적화를 조합하여 연산하는 변동 양자 알고리즘도 최근 잇다라 제안되고 있어, 앞으로도 이러한 흐름은 더 커질 것으로 예상된다. 하지만 양자 화학 계산 및 기계학습 태스크에서의 NISQ 양자 컴퓨터의 우위성을 실증하지는 못하고 있다. 클라우드 양자 컴퓨터를 제공하는 등 킬러앱을 탐색하는 환경은 갖추어지고 있다. 통계 처리를 통한 노이즈 보상 기술도 개발되고 있다.

냉각 원자에 의한 양자 시뮬레이터에서는 뤼드베리 궤도 전자를 고속 생성ㆍ제어할 수 있어, 시뮬레이션의 자유도가 향상하였다. 앞으로 실용성을 확대하기 위한 활동이 더욱 활발해질 것으로 보인다.

2. 양자 암호 키 분배ㆍ양자 통신 분야 연구개발 동향

양자성을 사용함으로써 기존의 방법으로는 실현할 수 없는 통신 프라이버시 및 안전성을 확보하는 것이 양자 통신 기술이다. 양자 암호 키 분배(Quantum Key Distribution, QKD)은 1984년에 BB84 프로토콜이 제안되면서 시작되었고, 정력적인 연구를 통해 2010년경까지 이론적인 기초가 확립되었으며, 장치가 불완전해도 성립되는 안전성 이론도 개척되었다. 실장된 디바이스의 특성까지 파고드는 실장 안전성 연구 및 실장 시 부족한 부분을 드러내는 사이드 채널 공격 연구 등은 유럽 전기 통신 표준화 기구(ETSI) 및 국제 표준화 기구(ISO)에서 진행되고 있는 QKD 장치의 안전성 보증 표준화 움직임에 영향을 주었다.

QKD는 암호 키 전송 거리 및 속도에 한계가 있다. BB84 프로토콜에서의 광섬유를 사용하는 경우 현재 성능으로는, 광자가 도달하는 거리가 제한되기 때문에 약 100km만 전송할 수 있고, 그때 속도는 약 1kbps이다. 클록 주파수에 대해서는, 도시바와 NEC에 의해 2015년 여름까지 클록 주파수 1GHz대의 실용적인 장치가 완성되었다(디코이 BB84 프로토콜). 클록 주파수를 더욱 향상하기 위한 연구개발도 지속되고 있다. 전도 거리를 연장하기 위해 ‘신뢰 노드(trusted node)’라는 안전성이 보증된 연결지점을 통한 네트워크화가 시도되었다. 선구적인 예로는 미국 고등연구계획국(DARPA)의 워싱턴DC에서의 실험, 빈 시내에 유럽의 연구기관이 구축한 SECOQC에서의 네트워크 제어 실험 실증이 있다. 일본에서는 2010년에 양자 암호 네트워크 테스트베드인 TokyoQKD 네트워크가 실현되었다. 중국은 베이징-상하이 간 2,000km의 간선과 허페이 등에서의 시내 네트워크를 완성시키는 등 대형 실장에서 앞서나가고 있다. 인공위성 ‘묵자’를 사용하는 실험이 성공한 것도 주목할 만하다. 위성을 이용하는 실험과 관련해서는, 일본에서도 최근 실용적인 초소형 위성에 의한 기초 실험에 성공했으며, 세계 각국에서 다양한 프로젝트가 만들어지고 있다. 미국에서는 민간기업이 QKD 네트워크를 제공하기 시작했고, 유럽에서도 EU와 각국(영국, 독일, 이탈리아, 스페인 등)이 양자 네트워크를 건설하고 있다. 최근에는 단순히 QKD 장치를 안전한 연결지점으로 잇는 것뿐 아니라 키 생성 제어, 키 관리, 공급과 같은 키 제공 플랫폼으로서의 연구개발도 이루어지고 있다.

QKD 장치의 가격 저하를 위한 연구로는 기존형 코히런트 광통신 부품으로만 구성할 수 있고, 기존 기술과의 친화성이 높은 CV-QKD가 주목받고 있다. 광통신과의 fiber core 공유가 가능하다는 것도 실증되어 앞으로의 실용화가 기대되기는 하지만, 실장 안전성을 포함한 무조건적인 안전성이 증명되지 않았다(안전성은 디코이 BB84 프로토콜 수준에 도달하지 못함)는 점은 주의해야 한다.

서로 떨어져 있는 노드 간의 양자 얽힘 형성은 양자 통신의 거리를 늘리는 데 꼭 필요한 기술이다. 그 실현의 열쇠를 쥐고 있는 것은 인접한 노드 간의 양자 얽힘을 떨어져 있는 노드 간의 양자 얽힘으로 변환하는 양자 중계 기술이다. 양자 텔레포테이션 전사 및 양자 메모리와 같은 새로운 기술이 개발되고 있다. 양자 상태를 실온에서 장시간 유지할 수 있어 광(光)으로 손쉽게 초기화하고 읽어들일 수 있는 다이아몬드 NV 센터를 양자 메모리로 이용하는 기술 및 광 송수신 장치만으로 실현할 수 있는 전광양자 방식이 양자 중계의 후보로 언급되고 있다.

양자 컴퓨터 및 양자 센서 등의 양자 정보 처리 기기를 노드로 삼아 양자 데이터를 주고받는 ‘양자 인터넷’도 검토되고 있다. 암호 키의 안전한 배송에 더하여 클라우드 양자 컴퓨터의 안전한 액세스, 분산형 양자 계산의 실현, 광격자 시계의 동기화, 양자 센서 네트워크의 구축 등 다양하게 응용할 수 있을 것으로 기대된다.