포토닉 양자컴퓨팅, '형상 변환' 설계로 범용성 확대

미국의 한 연구팀이 빛 입자(광자)를 활용한 양자 컴퓨팅 시스템에 '형상 변환(Shape-Shifting)' 아키텍처를 적용해 기존 광학 양자 컴퓨터의 범용성 한계를 극복하는 성과를 거뒀다. 이 연구 결과는 반도체 분야 전문매체 Semiconductor Digest를 통해 공개됐다.

포토닉 양자 컴퓨팅은 전자 대신 광자를 정보 처리 단위로 사용하는 방식이다. 열에 의한 오류가 적고 상온 동작이 가능하다는 장점이 있어, 극저온 환경이 필수인 초전도 방식 양자 컴퓨터의 대안으로 주목받아 왔다. 그러나 회로 구조가 고정돼 있어 다양한 알고리즘에 유연하게 적용하기 어렵다는 단점이 있었다.

이번에 개발된 형상 변환 아키텍처는 광학 회로의 연결 구조를 소프트웨어적으로 재구성할 수 있도록 설계돼, 단일 플랫폼에서 다양한 양자 알고리즘을 실행할 수 있다. 연구팀은 이 시스템이 이전 설계로는 접근조차 어려웠던 최적화·시뮬레이션 문제를 풀어냈다고 밝혔다.

소재 관점에서 이 기술은 실리콘 포토닉스 및 TFLN(탄탈산리튬 박막) 기반 광소자 수요와 직결된다. 광자 회로를 구현하는 데 필요한 저손실 도파로(빛을 안내하는 구조물) 소재의 정밀 제조 기술이 상용화의 핵심 병목이다. 최근 TFLN 소재가 방산 전용에서 상업용 포토닉스로 확장되는 추세와 맞물려 소재 수요 전망도 밝아지고 있다.

글로벌 포토닉 양자 컴퓨팅 시장은 2030년대 초 본격 성장 궤도에 진입할 것으로 예상된다. IBM·구글이 초전도 방식에 주력하는 가운데, PsiQuantum·Xanadu 등 스타트업은 포토닉 방식에 베팅하고 있다. 이번 연구 성과는 포토닉 진영의 기술 경쟁력이 한 단계 높아졌음을 보여준다.

한국 입장에서는 광소자용 고순도 실리콘 웨이퍼, III-V족 화합물 반도체(인듐인·갈륨비소), TFLN 기판 등 포토닉스 소재 분야에서의 기술 역량 축적이 시급하다. 현재 국내에서는 한국전자통신연구원(ETRI)과 일부 대학 연구실이 관련 소재·공정 연구를 진행 중이다.

머크·스미토모·신에쓰 등 글로벌 광소자 소재 기업들은 포토닉 양자 컴퓨팅 상용화를 겨냥해 저손실 도파로 소재 개발에 투자를 확대하고 있다. 특히 머크는 실리콘 포토닉스 소재 시장 공략을 공식화한 바 있어, 소재 공급망 선점 경쟁이 가열되고 있다.

연구팀 관계자는 '형상 변환 구조는 양자 컴퓨팅뿐 아니라 고성능 광학 신호처리, AI 가속기에도 응용될 수 있어 파급 범위가 넓다'고 설명했다. 이는 포토닉스 소재 시장이 양자 컴퓨팅 단일 용도에 그치지 않고 AI·통신·방산 다목적 수요로 확장될 수 있음을 시사한다.

국내 반도체 소재·장비 기업들은 포토닉 양자 컴퓨팅 밸류체인에 조기 진입하기 위한 R&D 전략 수립을 검토할 필요가 있다. 기술 성숙도가 낮은 현 시점에 소재·공정 원천기술을 확보해 두면, 시장이 본격 열렸을 때 공급자로서의 우위를 점할 수 있다는 전략적 판단이 가능하다.

정부 차원에서는 양자 기술 로드맵에 포토닉 방식을 포함한 다원화된 지원 전략이 필요하다는 지적이 나온다. 현재 국내 양자 기술 지원은 초전도·이온트랩 방식에 집중돼 있어, 포토닉 방식 소재·부품 기술 투자가 상대적으로 소홀하다는 비판이 있다.

전문가들은 형상 변환 아키텍처의 등장이 포토닉 양자 컴퓨팅 상용화 일정을 2~3년 앞당길 수 있다고 전망한다. 소재 기업과 장비사, 팹리스 설계 기업이 협력하는 포토닉스 생태계 구축이 향후 시장 선점의 관건이 될 것이라는 분석이 지배적이다.