quantum wave

양자-고전 하이브리드 알고리즘과 그 응용을 위한 탐색

연세대 방정호 교수, NISQ 시대의 질문을 재설계하다 2026년 2월 10일, QISK 학생기자단은 인천 송도에 위치한 연세대학교 국제캠퍼스를 방문해 방정호 교수 연구실 소속 조경호 박사와 한지수 연구원을 인터뷰했다. 겨울 공기가 감도는 연구동 복도는 조용했지만, 연구실 안에서는 양자컴퓨팅의 가장 현실적인 문제들을 향한 고민이 치열하게 진행되고 있었다. 대부분의 연구실은 한 분야에 정통한 전공자들을 모아서 이론이나 시뮬레이션, 실험 중 하나에 집중하는 구조를 취한다. 하지만 방정호 교수의 연구실은 이 세 영역을 병렬적으로 진행한다. 이는 단순히 다학제성을 지향하기 때문이 아니다. 조경호 박사는 “양자컴퓨팅이라는 분야 자체가 다양한 분야의 인재들을 요구하는 융합적인 학문이다”고 말한다. 양자 알고리즘은 수학적 구조 위에 세워지고, 실제 구현은 물리적 노이즈와 디코히런스에 의해 제한되며, 하드웨어 차원에서는 공학적 설계와 분석이 필수적이다. 따라서 해당 연구실은 어느 한 축만을 극단적으로 정교화하는 방식으로는 실질적인 혁신을 이뤄내기가 어렵다는 믿음 하에 연구가 이루어진다. 이미지 확대보기 고전 컴퓨터의 한계를 넘어선 양자 자원의 활용 방정호 교수가 이끄는 연구실은 고전 컴퓨팅을 넘어선 양자 자원을 설계하기 위해 QML(양자 머신러닝)부터 QEC(양자 오류 수정), 알고리즘 개발, 양자통신과 네트워크에 이르기까지 폭넓은 연구를 전개하고 있다. 특정 기술 한 축에 머무르기보다, 양자컴퓨팅을 구성하는 이론적·알고리즘적·물리적 토대를 동시에 탐구하는 통합형 연구실인 것이다. 그래서인지 연구 내용의 한 축은 QML이다. 단순히 기존 머신러닝을 양자 장치 위에 올려 실행하는 수준을 넘어, 실제로 양자적 자원이 학습 성능에 어떠한 이득을 제공하는지를 이론적으로 규명하는 데까지 관심을 둔다. 양자머신러닝 이득 증명은 증명의 이름 그대로 “양자적 접근이 정말 더 효율적인가?”라는 근본적인 질문에 대한 답을 요구하기에, 이를 위해 양자 데이터 인코딩 방식, 상태 공간 표현력, 샘플 복잡도 등에 대한 체계적 분석이 이루어진다. 특히 NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum) 환경에 적합한 변분 기반 접근과 QNN(양자인공신경망)을 연구하며, 제한된 큐비트와 노이즈 조건 속에서도 구현 가능한 학습 구조를 설계한다. 더 나아가 적대적 공격이나 데이터 노출 위험에 대응하기 위해 보안성과 학습 효율을 동시에 고려하는 QSML(양자보안머신러닝) 연구도 병행한다. 연구의 또 다른 축은 양자컴퓨팅 알고리즘과 소프트웨어 개발이다. 범용 양자컴퓨팅 알고리즘을 설계하고, VQA(변분 양자 알고리즘)과 같은 NISQ 친화적 구조를 개발한다. 양자 시뮬레이션 역시 주요 연구 분야로, 고전적으로 계산이 어려운 양자 시스템을 양자 장치로 모사하는 방법을 탐구한다. 이 과정에서 알고리즘 설계와 하드웨어 제약을 동시에 고려하는 접근이 필수적이다. 이와 함께, 연구실은 양자 오류 정정 및 fault-tolerant 양자 컴퓨팅이라는 보다 장기적인 과제에도 참여하고 있다. 양자 컴퓨터는 환경 소음에 극도로 민감하기 때문에, 오류를 감지하고 수정하는 체계 없이는 확장성이 제한된다. 연구팀은 오류 정정 코드와 성능 평가 지표를 개선하는 연구를 통해, 실제로 확장 가능한 양자 시스템의 이론적 기반을 다지고 있다.   이처럼 방정호 교수 연구실은 양자 머신러닝, 알고리즘 개발, 오류 정정, 비고전성 이론, 양자 네트워크까지 아우르며, 양자 기술의 기초와 응용을 동시에 확장하고 있다. 이는 특정 장치나 단일 응용 분야에 집중하려는 것보다는, 양자컴퓨팅을 구성하는 수학적 구조와 물리적 자원, 알고리즘적 전략을 통합적으로 이해하려는 접근으로 이해할 수 있다. NISQ라는 현실 현재의 양자 컴퓨터는 노이즈가 존재하는 중간 규모 장치, 즉 NISQ 단계에 머물러 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 현재 프로세서 구조를 계속 개편하고 있는 IBM과 칩 레이어 및 오류 정정 구조를 고도화하고 있는 Google처럼 학계와 산업계는 함께 이 단계를 넘어서 FTQC(fault-tolerant quantum computing)를 향해 나아가고 있다. 하지만 완전한 fault tolerance는 아직 실험적·공학적 난제를 다수 안고 있기에 방정호 교수 연구팀은 여기서 “완전한 fault tolerance를 향해 가는 것도 좋지만, NISQ 안에서 우리가 해결할 수 있는 문제들의 폭을 어떻게 넓힐 수 있을까?” 로 질문의 핵심을 바꾸고자 한다. 그리고 이 질문에 대해 방정호 교수가 내놓은 답은 양자-고전 하이브리드 알고리즘이다. 이는 양자 회로를 단독으로 깊게 실행하는 대신, 고전적 최적화 루프와 결합하여 반복적으로 파라미터를 조정하는 구조를 갖는다. 특히 variational hybrid approach는 NISQ 환경에서 현실적으로 구현 가능한 구조로 평가된다. 파라미터화된 양자 회로를 기반으로 하는 QNN은 클래식 모델이 잡아내지 못하는 분포적 구조를 양자 상태/측정 확률로 표현한다. 해당 모델의 성능 검증을 위해 현재 연구팀은 의료 데이터셋을 활용한 시뮬레이션 실험을 진행하고 있다. 당뇨병 및 파킨슨병 관련 데이터셋을 기반으로 고전적 모델과의 비교를 통해 성능을 검증하는 단계다. 물론 이는 아직 하드웨어 수준의 대규모 실행이 아니라 시뮬레이션 기반 접근이지만, 실제 적용 가능성을 탐색하는 초기 연구로서 의미를 가진다. 이미지 확대보기 “얼마나 좋은지”를 어떻게 정의할 것인가 뿐만 아니라 기존 모델과의 더욱 엄밀한 비교를 위해 연구팀은 diamond norm의 계산 비용이 매우 높고, 실제 하드웨어 환경에서 직접 추정하기 어렵다는 한계를 인식하고 average fidelity/infidelity뿐만 아니라 fidelity deviation을 도입하는 방법을 함께 활용하고 있다. 기존의 랜덤 서킷 기반 벤치마킹은 평균적인 오류율 추정에는 효과적이지만, 이러한 상태·회로 의존적 편차나 worst-case 성능을 충분히 반영하지 못한다는 한계가 있다. 연구팀은 이러한 문제의식을 공유하기에 평균 fidelity뿐 아니라 성능 분산까지 함께 고려할 수 있는 새로운 평가 방법론을 준비하고 있다. 양자 회로의 성능 평가는 자연스럽게 worst-case 동작에 대한 고려로 이어질 수밖에 없기에, 하나의 유니터리 연산이 가해졌을 때 두 게이트 사이에 유도되는 채널 차이를 분석하고자 하는 것이다. 이는 알고리즘 실행 환경에서는 특정 입력 상태나 회로 구조에 따라 오류의 영향이 비균등하게 나타날 수 있기 때문이다. 실생활에서의 응용 연세대학교 퀀텀 이니셔티브(YQI)의 연구는 컴퓨터 설계와 알고리즘 개발에만 머물지 않는다. YQI는 작년 9월 킥오프 이후 연세대학교 의과대학과 협력하여 ARPA-H 기반 신약 개발 플랫폼 사업을 수행 중이다. 양자 머신러닝과 AI 플랫폼을 결합해 분자 설계 및 신약 개발 문제를 다루는 것이 핵심이다. 현재는 고전 상태벡터 시뮬레이션의 메모리 요구량이 지수적으로 증가하기 때문에 메모리 제한으로 인해서 13~14 큐비트만 넘어도 계산이 어려울 때가 있어서 IBM Quantum 자원을 활용해 용량을 늘리는 방법과 알고리즘을 개선하는 방법 두 가지를 전부 고려해보고 있다고 조경호 박사는 말한다. 전 세계적으로 머신러닝 기반 신약 개발은 최근 수년간 빠르게 성장해 왔다. 양자 계산을 결합한 접근은 아직 초기 시뮬레이션 단계지만, 가능성을 탐색하는 시도가 점차 확대되고 있다는 점은 주목해 볼 만하다. 양자 시대를 이끌어갈 이들이 가져야 할 태도 방정호 교수는 평소 연구를 떠받치는 사람의 태도 역시 중요하다고 입버릇처럼 말하곤 한다. 조경호 박사는 교수님께서는 차세대 인재에게 필요한 역량으로 “얼마나 배우고 싶은가”를 가장 먼저 꼽는다고 강조한다. 양자역학을 얼마나 많이 알고 있는지보다, 새로운 개념을 끝까지 붙들고 이해하려는 태도가 더 중요하다는 것이다. 연구실에는 다양한 전공 배경을 가진 구성원들이 모여 있으니만큼 선형대수학과 자연과학대 학부 수준의 기초가 갖춰져 있다면, 출신 전공 자체는 크게 문제가 되지 않는다. 단순히 Python 코드로 Qiskit이나 PennyLane을 다룰 줄 안다고 해서 양자 전문가가 되는 것은 아니다 보니, 도구를 사용하는 능력뿐만 아니라 개념을 이해하는 능력을 중시해야 한다고 말한다. 기초적인 수학·물리적 이해 위에서 스스로 질문을 확장해 나갈 수 있다면, 전문성은 연구 과정 속에서 충분히 쌓아갈 수 있다는 설명이다. 완전한 오류 정정이 구현되지 않은 NISQ 시대, 양자컴퓨팅은 여전히 과도기의 기술로 평가된다. 그러나 방정호 교수 연구실은 이 과도기 자체를 연구의 출발점으로 삼아, 현재 가능한 전략과 평가 방법을 모색하고 있다. 끊임없는 열정의 샘을 기반 삼아 새로운 질문을 던지고, 평가 방식을 재구성하며, 다양한 분야에 대한 응용 가능성과 한정된 자원으로 가능한 영역을 확장하려는 시도는 분명 진행 중이다. 이러한 연구의 축적은 한국 양자정보학계를 비롯한 국내 연구 공동체의 지속적인 관심과 논의 속에서 더욱 구체적인 방향성을 갖춰갈 것으로 기대된다.

탐방연구실 : 연세대학교 융합과학기술원 양자사업단 양자컴퓨팅센터

글 작성 : 퀀텀웨이브 학생 기자단 : 김도겸(한양대학교) / 이성빈(서울대학교) / 백원준(연세대학교) / 김성은(연세대학교) / 박연수(연세대학교)

대한민국 국방의 중심, 국방과학연구소에서 양자를 만나다.

오늘은 대한민국 국방 기술의 중심, 국방과학연구소(ADD)를 방문하였습니다. 삼엄한 보안을 뚫고 마주한 연구실에서는 단순한 무기의 성능 개량을 넘어, 미래 전장의 판도를 완전히 뒤바꿀 게임 체인저에 대한 연구가 한창이었습니다. 그 혁신의 중심에 놓인 핵심 키워드는 바로 ‘양자(Quantum) 기술’입니다. 현대전에 투입되는 첨단 무기 체계는 눈부시게 발전했지만, 치명적인 아킬레스건도 함께 안고 있습니다. 기존 무선 주파수(RF) 기반의 통신 체계는 적의 전파 교란(Jamming)이나 통신 방해에 취약해 순식간에 눈과 귀를 잃을 위험이 있습니다. 또한, 레이더망을 교묘히 피하는 스텔스 비행체나 깊은 바닷속에 은밀히 숨은 잠수함을 탐지하는 일은 고전 물리학에 기반한 기존 탐지 체계로는 부족한 부분이 있습니다. 국방과학연구소에서는 이러한 한계를 돌파하기 위하여 ‘양자 얽힘’과 ‘양자 중첩’이라는 자연계의 가장 미세하면서도 강력한 원리를 국방 체계에 이식하고 있습니다. 이를 통해 연기나 안개가 자욱한 극한의 전장에서도 미세한 자기장의 변화를 감지해 적의 위치를 파악하고, 물리적 도청이 원천적으로 불가능한 완벽한 암호 통신망을 구축하고 있습니다. 이러한 양자 기술은 국가 안보와 직결되는 최상위 전략 자산이기에, 심화되어가는 글로벌 양자 패권 경쟁에서 국외와는 차별화된 국방과학연구소만의 독자적인 기술을 개발해야 한다는 무거운 사명감이 연구소 곳곳에 배어 있었습니다. 양자 기술은 국가 안보와 직결되는 최상위 전략 자산입니다. 심화하는 글로벌 양자 패권 경쟁 속에서, 해외 기술에 의존하지 않고 우리만의 독자적인 기술 생태계를 구축해야 한다는 무거운 사명감이 연구소 곳곳에 배어 있었습니다. 이론과 수식이 가득한 실험실을 넘어, 실제 야전 속으로 양자 기술을 끌어내고 있는 국방과학연구소. 그곳에서 직접 듣고 경험한 생생한 양자 이야기를 지금부터 전해드립니다. 지뢰부터 지하 터널까지 가장 먼저 발걸음을 향한 곳은 원자 앙상블 기반 양자 센싱(Quantum Sensing) 연구실이었습니다. 지구에는 눈에 보이지 않는 거대한 자기장이 흐릅니다. 만약 땅속에 거대한 쇳덩어리인 탱크나 지뢰가 숨겨져 있다면 그 주변의 자기장은 아주 미세하게 일그러집니다. 양자 자기장 센서는 바로 이 미세한 자기장 변화를 포착하여 주변의 보이지 않는 위험을 탐색해 냅니다. 국방과학연구소는 이 초정밀 양자 센서를 활용하여 다방면의 탐지 기술을 개발하고 있습니다. 지상에서는 땅속에 묻힌 지뢰나 은밀하게 파놓은 지하 터널을 찾아냅니다. 해상에서는 수면 아래에 보이지 않는 해저 터널이나 숨은 잠수함을 탐지할 수 있도록 연구를 수행하고 있습니다. 특히, 이 센서를 드론에 탑재하여 이동하면서 자기장의 변화를 스캔하는 방식은 향후 유무인 복합 체계(Manned-Unmanned Teaming, MUM-T)와 결합하여 우리 군의 정찰 능력을 비약적으로 끌어올릴 전망입니다. 아울러 군사 작전에서 GPS 신호가 차단되거나 교란되는 상황 속에서도 자신의 정밀한 위치 인식을 가능하게 하는 양자 관성 센싱 기술도 함께 연구/개발 중이며, 우리 군의 작전 수행에 생존성과 정확도를 크게 높일 것입니다. 이미지 확대보기 그림 1. ADD에서 연구/개발 중인 양자 자기장 센서(왼쪽)와 양자 관성 센서(오른쪽) 물리부 구상도. 스텔스기를 찾아서 양자 센싱과 더불어 ADD가 공들여 담금질하고 있는 또 다른 무기는 양자 레이더(Quantum Radar)입니다. 기존의 레이더 체계는 전파를 쏘아 반사되는 신호를 잡아내는 방식입니다. 하지만 스텔스 비행체들은 이 전파를 흡수하거나 흩뜨려버리는 방식으로 자신을 투명하게 숨깁니다. 양자 레이더는 이 한계를 ‘얽힘 광자(Entangled Photons)’와 ‘양자 조명(Quantum Illumination)’이라는 신비로운 양자역학적 현상으로 돌파합니다. 보이지 않는 실로 연결된 듯한 두 얽힘 광자를 생성하고, 하나는 보관, 하나는 표적을 향해 안테나로 발사합니다. 비행체에 반사되어 돌아온 빛을 기지에 남겨둔 다른 얽힘 광자와 비교하면 숨겨진 비행체의 위치를 탐지할 수 있는 원리입니다. ADD는 기존 레이더 시스템의 한계를 돌파하기 위해서 양자 기술을 기반하여 다각적인 접근을 통해 심도 있는 연구를 이어가고 있습니다. 이미지 확대보기 그림 2. ADD에서 연구/개발 중인 양자 레이더의 작동 방식 우주와 지상을 연결하다 마지막으로 방문한 곳은 현대전의 핵심인 정보 통제를 완벽하게 수행하기 위한 양자 통신 연구실이었습니다. 기존의 무선 주파수(RF) 기반 통신은 적의 감청이나 전파 방해에 치명적인 약점을 노출합니다. 국방과학연구소는 이에 대항하는 궁극의 기술로 무선 양자암호통신(Quantum Key Distribution)을 집중적으로 연구하고 있습니다. 이 기술은 누군가 중간에서 통신망을 해킹해 정보를 가로채려는 순간, 양자의 상태 자체가 붕괴하여 도청이 물리적으로 불가능해지는 원리를 이용합니다. 연구소는 이 기술을 더욱 고도화하여 위성과 지상, 그리고 드론 등 다양한 이동 플랫폼을 안전하게 연결하는 양자 통신 네트워크 구축을 목표로 땀 흘리고 있습니다. 실험실을 넘어 야전 속으로 놀라운 점은 앞서 소개한 첨단 기술들이 단순히 항온항습이 완벽히 유지되는 쾌적한 실험실 안에서만 머물지 않는다는 것입니다. 변수가 쏟아지는 거친 야외 환경에서도 실제 운용이 가능하도록 치열한 연구가 이어지고 있습니다. 양자 통신 분야를 전담하는 박남훈 박사는 “양자 통신, 센싱, 레이더 기술이 이론적으로는 완벽할지라도, 실제 야전(Field) 환경에 당장 적용하기에는 현실적인 벽이 매우 높다”고 설명했습니다. 온도, 진동, 날씨 등 미세한 외부 환경 변화에도 극도로 민감하게 반응하는 양자의 까다로운 물리적 특성 때문입니다. 이를 극복하기 위해 연구원들은 실험실을 벗어나, 현장에서 직접 데이터를 수집하고 발생하는 수많은 오류를 끈질기게 수정해 나가며 기술의 완성도를 높이고 있습니다. 이미지 확대보기 그림 3. ADD에서 연구/개발 중인 양자 암호 통신 네트워크의 작동 방식 ADD, 미래를 향해서 현재 국방과학연구소는 대한민국 양자 기술 분야에서 매우 독보적인 위치를 차지하고 있습니다. 대학과 연구소의 기초 양자 연구 성과를 실전 장비로 탈바꿈시키며, 현장에서 발생하는 문제와 해결 방안을 심도 있게 탐구합니다. 단순히 기초 연구에 머물지 않고 기술의 산업 응용성을 높이며 실전 배치를 위한 기술성숙도(TRL) 확보에 전력을 다하는 것은, 바로 산업계와 학계를 잇는 튼튼한 가교(Bridging) 역할을 수행하기 위함입니다. 제3기술연구원 인용섭 팀장은 "글로벌 양자 패권 경쟁 속에서 연구진들이 막중한 책임감을 안고 열심히 연구에 임하고 있지만, 국가적으로 양자 전문인력이 여전히 부족한 실정"이라며 아쉬움을 전했습니다. 하지만 양자 국방의 미래를 짊어질 유능한 인재들을 향한 연구소의 문은 활짝 열려 있습니다. 국방과학연구소 양자기술 연구팀은 진로를 고민하는 이공계 학생들에게 ‘과학기술전문사관’ 제도를 통해 현장에서 직접 첨단 기술을 연구하며 과학의 한계에 도전할 열정 넘치는 청년들을 적극적으로 환영한다는 뜻을 밝혔습니다. 보이지 않는 미시 세계의 양자를 통제해 가장 강력한 국가 안보의 방패를 만들어가는 곳. 실험실을 넘어 험난한 현장에서도 대한민국의 안전한 내일을 묵묵히 설계하고 있는 국방과학연구소와, 세상을 바꿀 미래의 양자 과학자들에게 뜨거운 응원의 박수를 보냅니다.

탐방연구실 : 국방과학연구소(ADD)

글 작성 : 퀀텀웨이브 학생 기자단 : 김도겸(한양대학교) / 이성빈(서울대학교) / 백원준(연세대학교) / 김성은(연세대학교) / 박연수(연세대학교)

반짝임 그 이상: 다이아몬드의 결함이 만드는 초정밀 양자 센서

이미지 확대보기 다이아몬드 NV 센터를 활용한 양자센싱 및 이미징 연구의 기초부터 응용, 산업 활용까지의 예(출처: K. Kim et al., Advanced Photonics 7, 064002(2025), https://doi.org/10.1117/1.AP.7.6.064002) “고려대 이동헌 교수, 양자 센싱·이미징 연구의 최전선 - 양자 기술은 기초와 응용이 동시에 춤추는 독특한 분야” 고려대학교 물리학과 이동헌 교수가 이끄는 Quantum Sensing and Imaging (QuSI) 연구실은 다이아몬드 내 '양자 결함'이라는 특별한 큐비트를 활용해 양자 센싱 및 이미징이라는 두 분야를 개척하고 있습니다. 완벽해 보이는 다이아몬드도 그 결정 안을 자세히 들여다보면 수많은 원자 결함들이 존재하고 있습니다. 때로는 이러한 결함들이 핑크 다이아몬드와 같은 보석의 색을 결정하기도 해서 색중심(color center)이라 부르기도 합니다. 연구실의 핵심은 이러한 다이아몬드 속 질소-공극(Nitrogen-Vacancy, NV) 점 결함입니다. 다이아몬드 내부의 이 미세 점결함은 전자의 스핀 상태를 상온에서도 양자 상태를 오래 유지할 수 있어서 차세대 스핀 큐비트로 주목받고 있습니다. QuSI 연구실은 이 NV 센터의 스핀을 정밀하게 조작하는 연구를 진행하면서, NV-핵스핀이나 NV-NV 쌍을 이용한 다중 큐비트 기반의 양자 센싱 프로토콜 개발을 연구하고 있습니다. 다양한 양자 제어 알고리즘을 개발하여 큐비트의 결맞음 시간을 늘리고, 측정 민감도를 고도화하는 등 실용적인 양자 센서 개발에 필요한 토대를 쌓고 있습니다. QuSI의 연구는 정보 처리를 넘어 미시 세계를 관찰하는 새로운 도구 개발로 확장됩니다. NV 센터를 초민감 센서로 활용해 양자 이미징과 센싱 기술을 발전시키고 있는데, 특히 다이아몬드 NV 센터를 탐침으로 쓰는 주사 탐침 현미경(Scanning Magnetometry) 기술을 개발했습니다. 이를 통해 나노미터 수준의 해상도로 다양한 고체 물질 및 소자의 자기장 분포, 전류 흐름, 스핀 현상을 비파괴적으로 측정할 수 있습니다. 이러한 기술은 첨단 자성 소재나 반도체 소자를 분석하는 데 유용하며, 생체 내 미세 자기 활동 측정이나 단일 분자 수준의 핵자기공명(Nuclear Magnetic Resonance, NMR), 나노-MRI(Magnetic Resonance Imaging) 같은 생의학 응용까지 확장이 가능할 것으로 기대됩니다. 연구 외에도 QuSI 연구실은 양자 기술 교육에 힘쓰고 있습니다. 학생과 일반인이 직접 체험할 수 있는 교육용 큐비트 ·양자 센싱·컴퓨팅 기초 실험 장치(QuLIUS)를 개발해 양자 과학의 문턱을 낮추고 있습니다. 이러한 노력은 미래 인재를 양성하고 국내 양자 과학기술 생태계를 키우는데 밑거름이 되고 있습니다. 다이아몬드 속, 원자 크기의 ‘큐비트’ 우리가 일반적으로 떠올리는 다이아몬드는 “완벽하게 정렬된 탄소 격자”로 이루어진 보석입니다. 그러나 QuSI 연구실에서 연구되는 다이아몬드는 일부러 격자를 흐트러뜨립니다. 탄소 자리 하나를 비워 결함(vacancy)을 만들고, 그 옆에 탄소 대신 질소를 심습니다. 이렇게 인위적으로 만든 결함 구조는 바로 NV 센터(Nitrogen–Vacancy center)입니다. 얼핏 들으면 단순한 흠결처럼 보이지만, 이 결함은 오히려 다이아몬드 내부에서 전자 스핀을 가진 원자 단위의 양자 큐비트로 기능합니다. 이동헌 교수는 NV 센터를 설명하면서 흥미로운 비유를 들었습니다. “진공에 있는 이온트랩과 중성원자와 거의 동일한유사한 특성을 보이지만, 다이아몬드 안에 있기 때문에 훨씬 컴팩트합니다. 그래서 센서로서의 활용성이 뛰어나죠.” 실제로 NV 센터는 양자센싱 측면에서 고전적인 양자컴퓨팅 플랫폼(초전도체 큐비트나 이온트랩)과 비교해 압도적인여러 장점을 가집니다. 초전도 큐비트는 극저온 냉동기와 복잡한 마이크로파 장치가 필요하고, 이온트랩이나 중성원자는은 초고진공 환경과 다단복잡한 트랩 구조가 필수인 반면, NV 센터는 상온·대기압에서, 별도의 트랩 없이도 안정적으로 동작합니다. 이는 “양자 컴퓨터는 거대한 냉장고 속에 들어있다”는 기존의 이미지와는 완전히 다른, 일상 환경 속 양자 센서의 가능성을 여는 대목입니다. 다이아몬드 표면 가까이에 NV 센터를 배치하면 그 큐비트는 나노미터(nm) 거리에서 일어나는 극도로 미세한 변화를 감지할 수 있습니다. 어떤 변화일까요? ‘수십 나노미터 거리의 자기장 변동, 국소 온도 변화, 근처 원자핵의 스핀 움직임’ 이 모든 것을 감지할 수 있습니다. 이미지 확대보기 다중 큐비트 기반의 양자센싱 실험 셋업 사진 비유하자면, 기존의 자기력 현미경(Magnetic Force Microscopy, MFM)이나 NMR/MRI 같은 장비가 ‘넓은 바다 위 파도’를 관측하는 기술이라면, NV 기반 양자 센서는 한 방울의 물속에서 일어나는 미세한 흐름까지 읽어낼 수 있는 현미경에 가깝습니다. 단일 분자 혹은 단백질 수준의 구조 분석 가능성이 거론되는 이유도 여기에 있습니다. 방해를 주지 않고 ‘살며시 관찰하는 센서’, 즉 완전한 비파괴 측정이라는 NV 센서의 가장 큰 장점이 실현되는 것입니다. 이 기술이 열어주는 미래는 매우 다층적입니다. 바이오·의료 분야에서는 단백질과 분자 단위의 구조 분석을 가능하게 하여 신약 개발에 새로운 접근을 제공합니다. 생체 내 미세 환경을 실시간 모니터링하는 센서, 나노 의학 기술, 심지어 살아있는 세포 내부를 들여다보는 기술까지도 이론적으로는 NV 센서의 영역에 있습니다. 소재·반도체 분야 역시 큰 변화를 맞이합니다. 배터리 내부의 전류 분포를 10 nm 단위에서 측정하거나, 반도체 공정 중 발생하는 극미세 결함을 비파괴 방식으로 탐지하는 기능은 기존 기술로는 상상하기 어려운 영역이었습니다. NV 센서는 이 불가능을 현실로 만듭니다. 국방·보안 분야는 또 다른 가능성을 제시합니다. 지하 구조물 탐지, 극미약한 자기장의 이상 신호 탐지, 정밀 항법 장치 등 NV 센서를 활용한 기술은 이미 미국·유럽·중국에서 개발·제품화가 진행 중이며, 일부는 실제 배치 단계에 있습니다. NV 기반 센서는 ‘고정밀 자기장·중력 측정 기술의 패러다임을 완전히 바꿀 플랫폼’으로 평가됩니다. 그러나 연구실의 성과를 곧바로 산업 현장에 적용할 수 있는 것은 아닙니다. 이동헌 교수는 현실적인 기술적 과제를 명확하게 짚었습니다. “실험실의 거대한 광학·레이저 장비를 현장용, 휴대용 센서로 만드는 과정에서는 민감도가 떨어질 수 있고, 잡음이나 환경 변화에 취약해집니다.” 실제로 NV 센서는 레이저·광학계·마이크로파 장치 등이 정교하게 맞물려 작동하는 시스템입니다. 이를 손바닥만 한 크기의 포터블 장치로 만들려면, 단순히 부품을 줄이는 것이 아니라 광학 정렬, 소자 내구성, 열 안정성, 전자 신호 처리 등 엔지니어링이 필요합니다. “양자 센서가 실제 산업·국방·의료 현장에서 활약하려면 과학자와 엔지니어가 긴밀하게 협력해, 높은 민감도를 유지하면서도 실사용 환경에서 안정적으로 구동될 수 있는 기술을 완성해야 합니다. 유럽, 미국, 중국은 이미 이 문제를 많이 해결하고며 제품화 단계에 진입하고 있습니다.” 결국 NV 센서의 성공은 ‘과학자의 양자 물리학적 정교함’과 ‘엔지니어의 견고함’이 얼마나 자연스럽게 결합할 수 있는지에 달려 있다고 볼 수 있습니다. QuSI 연구실은 바로 이 경계면, 기초와 혁신, 실험실과 산업, 나노 구조와 일상 기술에서 새로운 시대의 센서를 설계하고 있습니다. QuSI 연구실이 꿈꾸는 것 - 단순한 실험실이 아니다 많은 양자 연구실이 “더 많은 큐비트, 더 빠르고 더 깊은 양자 게이트”를 목표로 나아가고 있습니다. 세계적 연구 그룹일수록 경쟁적으로 큐비트 수를 증가시키고, 오류율을 낮추며, 대규모 양자 컴퓨팅의 시대를 앞당기는 데 집중합니다. 하지만 QuSI 연구실의 방향은 조금은 다릅니다. “우리는 5~10개 큐비트만으로도 충분히 의미 있는 양자 센서를 만들 수 있다고 믿습니다.” 이 말은 단순한 선택의 문제가 아니라, 기술적 현실과 산업적 필요를 정확히 파악한 전략에서 나온 것입니다. 현재 연구실은 이미 5큐비트 레지스터 기반 양자 센싱 알고리즘을 구현했으며, 2큐비트 간 게이트 연산도 실험적으로 시연했습니다. 다시 말해, 큐비트 수 경쟁에 끼어드는 것이 아니라 NV 센서 플랫폼이 가장 잘할 수 있는 방향을 중심으로 발전시키는 것입니다. 그렇다고 해서 기술적 야심이 낮다는 의미는 아닙니다. 오히려 QuSI는 “상용화 가능한 소형 양자 센서”라는 매우 현실적이고, 동시에 산업적 파급력이 큰 목표를 바라보고 있습니다. 기존 양자 컴퓨팅 중심 연구가 “거대한 냉각기 속 수백 큐비트 시스템”이라는 실험실 중심의 장비를 다룬다면, QuSI는 우리가 실제 손에 들고 사용할 수 있는 양자 센서를 연구합니다. 이는 양자 기술을 일상 속으로 끌어오는 작업이기도 합니다. 교육도 연구의 연장선으로… QuSI가 만든 ‘QuLIUS’ 더욱이 흥미로운 점은 QuSI의 목표가 연구에만 머물지 않는다는 것입니다. QuSI는 양자 기술의 확장과 저변 확대를 위해 교육 자체를 연구 분야의 일부로 포함하고 있습니다. 그 핵심이 바로 최근 연구실에서 자체 개발한 교육용 장비 ‘QuLIUS(Quantum Learning and Instructional Unit for Students)’입니다. 이미지 확대보기 QuLIUS를 활용한 양자센싱 대학원 수업 실험 진행 모습 QuLIUS는 기존의 양자 실험 장비와 달리, 대형 광학 테이블이나 고가의 레이저 세트가 필요 없습니다. 노트북 하나만 있으면 연결해 사용할 수 있을 정도로 작은 장비이며, 학생들은 이 장치를 통해 스스로 큐비트를 제어하고, 신호를 읽고, 실제 센싱 알고리즘을 체험할 수 있습니다. 단순한 시뮬레이션이 아니라, 실제 NV 센터 기반 큐비트를 만지고 조작하는 경험을 가능하게 합니다. 이미 고려대 학부·대학원 강의에서 활용되고 있으며, 고등학생 대상 교육에도 투입되었습니다. “양자는 이론 수업으로만 배우면 어렵습니다. 손으로 만지고, 관찰하고, 실험해야 비로소 ‘아, 이런 거구나’ 하고 이해됩니다.” 즉, QuLIUS는 단순한 교육 도구가 아니라, QuSI가 추구하는 ’양자 기술의 일상화, 교육의 실험화’ 라는 철학을 담은 장치입니다. 양자 기술이 ‘느껴지는 기술’이 되는 순간 이동헌 교수는 인터뷰를 마무리하면서, 양자 기술에 대한 대중의 오해를 조심스럽게 짚었습니다. 사람들은 여전히 양자를 “먼 미래의 기술”, “거대한 연구소 안에서만 가능한 기술”로 생각하지만, NV 센서는 그 인식을 흔들어 놓습니다. “양자 기술은 먼 미래 기술이 아닙니다. 우리 주변에서 ‘느낄 수 있는’ 기술이어야 합니다.” 다이아몬드 속 결함 하나, 보석 기준으로는 불량이라 불릴 수도 있는 미세한 구조가, 우리와 완전히 동떨어져 있다고 느껴왔던 나노 세계를 현실과 연결하는 다리로 연결 지었습니다. 그 다리 위에서 QuSI는 기초 물리의 깊이와 산업 현장의 실제 요구가 만나는 지점을 탐구합니다. 대규모 양자컴퓨터가 등장하려면 여전히 넘어서야 할 장벽이 많다고 이동헌 교수는 말합니다. 극저온 제어, 오류 보정, 소자 집적 등 기술적 난제들이 산처럼 쌓여 있습니다. 그 사이에서 QuSI는 다른 길을 개척하고 있습니다. “작지만 실제로 쓰일 수 있는 양자 장치”라는 분야에서, 이미 세계적으로 경쟁 가능한 성과를 내고 있습니다. “양자 센서가 먼 미래의 그림이 아니라, 오늘 실현 가능한 도구임을 보여주는 연구실” 지금 이 길은 막 시작되었습니다. 하지만 다이아몬드 속 작은 결함이 보여주는 세계는 명확합니다. 양자 기술은 어렵고 먼 곳에 있는 것이 아니라, 우리가 손으로 만지고, 눈으로 관찰하고, 산업에 적용할 수 있는 기술로 이미 우리 앞에 와 있습니다. QuSI 연구실이 열고 있는 이 작은 문은 앞으로 양자 기술이 일상 기술로 확장되는 거대한 흐름의 첫 걸음이 될 것입니다. 양자 시대 인재에게, 필요한 건 ‘인내’와 ‘열린 마음’ “양자 기술은 지금 ‘기초’와 ‘응용’이 동시에 달리는 마라톤입니다. 그래서 단기 성과만 보지 말고, 긴 시간 인내하며, 또 고전 기술, 반도체, 재료공학, 아니면 생물학 등에 이르기까지 다양한 분야를 넘나들 줄 아는 열린 마음이 필요합니다.” QuSI 연구실은 이 같은 인재를 키우기 위해, 기초 연구와 산업화, 교육을 동시에 추진하고 있습니다. 단순히 논문을 쓰기 위한 연구실이 아니라, “누구나 양자를 만져보고, 느끼고, 쓸 수 있도록” 하는 연구실. 다이아몬드 속 단 하나의 결함이, 우리가 그토록 멀게만 느껴왔던 나노 세계와 현실 세계를 잇고 있습니다. 기초 물리의 정수와, 산업의 수요가 만나는 지점, 그곳에서 QuSI 연구실은 ‘양자 센서가 먼 미래의 그림이 아니라, 오늘 실현 가능한 도구임을 보여주는 증인’이 되고자 합니다. 그리고, 이 길은 이제 막 시작되었습니다.

탐방연구실 : 고려대학교 Quantum Sensing and Imaging (QuSI) 연구실

글 작성 : 퀀텀웨이브 학생 기자단 : 박연수(연세대학교) / 김성은(연세대학교) / 이성빈(서울대학교) / 김한결(광운대학교) / 박성근 (고려대학교)

양자-고전 하이브리드 알고리즘과 그 응용을 위한 탐색

연세대 방정호 교수, NISQ 시대의 질문을 재설계하다 2026년 2월 10일, QISK 학생기자단은 인천 송도에 위치한 연세대학교 국제캠퍼스를 방문해 방정호 교수 연구실 소속 조경호 박사와 한지수 연구원을 인터뷰했다. 겨울 공기가 감도는 연구동 복도는 조용했지만, 연구실 안에서는 양자컴퓨팅의 가장 현실적인 문제들을 향한 고민이 치열하게 진행되고 있었다. 대부분의 연구실은 한 분야에 정통한 전공자들을 모아서 이론이나 시뮬레이션, 실험 중 하나에 집중하는 구조를 취한다. 하지만 방정호 교수의 연구실은 이 세 영역을 병렬적으로 진행한다. 이는 단순히 다학제성을 지향하기 때문이 아니다. 조경호 박사는 “양자컴퓨팅이라는 분야 자체가 다양한 분야의 인재들을 요구하는 융합적인 학문이다”고 말한다. 양자 알고리즘은 수학적 구조 위에 세워지고, 실제 구현은 물리적 노이즈와 디코히런스에 의해 제한되며, 하드웨어 차원에서는 공학적 설계와 분석이 필수적이다. 따라서 해당 연구실은 어느 한 축만을 극단적으로 정교화하는 방식으로는 실질적인 혁신을 이뤄내기가 어렵다는 믿음 하에 연구가 이루어진다. 이미지 확대보기 고전 컴퓨터의 한계를 넘어선 양자 자원의 활용 방정호 교수가 이끄는 연구실은 고전 컴퓨팅을 넘어선 양자 자원을 설계하기 위해 QML(양자 머신러닝)부터 QEC(양자 오류 수정), 알고리즘 개발, 양자통신과 네트워크에 이르기까지 폭넓은 연구를 전개하고 있다. 특정 기술 한 축에 머무르기보다, 양자컴퓨팅을 구성하는 이론적·알고리즘적·물리적 토대를 동시에 탐구하는 통합형 연구실인 것이다. 그래서인지 연구 내용의 한 축은 QML이다. 단순히 기존 머신러닝을 양자 장치 위에 올려 실행하는 수준을 넘어, 실제로 양자적 자원이 학습 성능에 어떠한 이득을 제공하는지를 이론적으로 규명하는 데까지 관심을 둔다. 양자머신러닝 이득 증명은 증명의 이름 그대로 “양자적 접근이 정말 더 효율적인가?”라는 근본적인 질문에 대한 답을 요구하기에, 이를 위해 양자 데이터 인코딩 방식, 상태 공간 표현력, 샘플 복잡도 등에 대한 체계적 분석이 이루어진다. 특히 NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum) 환경에 적합한 변분 기반 접근과 QNN(양자인공신경망)을 연구하며, 제한된 큐비트와 노이즈 조건 속에서도 구현 가능한 학습 구조를 설계한다. 더 나아가 적대적 공격이나 데이터 노출 위험에 대응하기 위해 보안성과 학습 효율을 동시에 고려하는 QSML(양자보안머신러닝) 연구도 병행한다. 연구의 또 다른 축은 양자컴퓨팅 알고리즘과 소프트웨어 개발이다. 범용 양자컴퓨팅 알고리즘을 설계하고, VQA(변분 양자 알고리즘)과 같은 NISQ 친화적 구조를 개발한다. 양자 시뮬레이션 역시 주요 연구 분야로, 고전적으로 계산이 어려운 양자 시스템을 양자 장치로 모사하는 방법을 탐구한다. 이 과정에서 알고리즘 설계와 하드웨어 제약을 동시에 고려하는 접근이 필수적이다. 이와 함께, 연구실은 양자 오류 정정 및 fault-tolerant 양자 컴퓨팅이라는 보다 장기적인 과제에도 참여하고 있다. 양자 컴퓨터는 환경 소음에 극도로 민감하기 때문에, 오류를 감지하고 수정하는 체계 없이는 확장성이 제한된다. 연구팀은 오류 정정 코드와 성능 평가 지표를 개선하는 연구를 통해, 실제로 확장 가능한 양자 시스템의 이론적 기반을 다지고 있다.   이처럼 방정호 교수 연구실은 양자 머신러닝, 알고리즘 개발, 오류 정정, 비고전성 이론, 양자 네트워크까지 아우르며, 양자 기술의 기초와 응용을 동시에 확장하고 있다. 이는 특정 장치나 단일 응용 분야에 집중하려는 것보다는, 양자컴퓨팅을 구성하는 수학적 구조와 물리적 자원, 알고리즘적 전략을 통합적으로 이해하려는 접근으로 이해할 수 있다. NISQ라는 현실 현재의 양자 컴퓨터는 노이즈가 존재하는 중간 규모 장치, 즉 NISQ 단계에 머물러 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 현재 프로세서 구조를 계속 개편하고 있는 IBM과 칩 레이어 및 오류 정정 구조를 고도화하고 있는 Google처럼 학계와 산업계는 함께 이 단계를 넘어서 FTQC(fault-tolerant quantum computing)를 향해 나아가고 있다. 하지만 완전한 fault tolerance는 아직 실험적·공학적 난제를 다수 안고 있기에 방정호 교수 연구팀은 여기서 “완전한 fault tolerance를 향해 가는 것도 좋지만, NISQ 안에서 우리가 해결할 수 있는 문제들의 폭을 어떻게 넓힐 수 있을까?” 로 질문의 핵심을 바꾸고자 한다. 그리고 이 질문에 대해 방정호 교수가 내놓은 답은 양자-고전 하이브리드 알고리즘이다. 이는 양자 회로를 단독으로 깊게 실행하는 대신, 고전적 최적화 루프와 결합하여 반복적으로 파라미터를 조정하는 구조를 갖는다. 특히 variational hybrid approach는 NISQ 환경에서 현실적으로 구현 가능한 구조로 평가된다. 파라미터화된 양자 회로를 기반으로 하는 QNN은 클래식 모델이 잡아내지 못하는 분포적 구조를 양자 상태/측정 확률로 표현한다. 해당 모델의 성능 검증을 위해 현재 연구팀은 의료 데이터셋을 활용한 시뮬레이션 실험을 진행하고 있다. 당뇨병 및 파킨슨병 관련 데이터셋을 기반으로 고전적 모델과의 비교를 통해 성능을 검증하는 단계다. 물론 이는 아직 하드웨어 수준의 대규모 실행이 아니라 시뮬레이션 기반 접근이지만, 실제 적용 가능성을 탐색하는 초기 연구로서 의미를 가진다. 이미지 확대보기 “얼마나 좋은지”를 어떻게 정의할 것인가 뿐만 아니라 기존 모델과의 더욱 엄밀한 비교를 위해 연구팀은 diamond norm의 계산 비용이 매우 높고, 실제 하드웨어 환경에서 직접 추정하기 어렵다는 한계를 인식하고 average fidelity/infidelity뿐만 아니라 fidelity deviation을 도입하는 방법을 함께 활용하고 있다. 기존의 랜덤 서킷 기반 벤치마킹은 평균적인 오류율 추정에는 효과적이지만, 이러한 상태·회로 의존적 편차나 worst-case 성능을 충분히 반영하지 못한다는 한계가 있다. 연구팀은 이러한 문제의식을 공유하기에 평균 fidelity뿐 아니라 성능 분산까지 함께 고려할 수 있는 새로운 평가 방법론을 준비하고 있다. 양자 회로의 성능 평가는 자연스럽게 worst-case 동작에 대한 고려로 이어질 수밖에 없기에, 하나의 유니터리 연산이 가해졌을 때 두 게이트 사이에 유도되는 채널 차이를 분석하고자 하는 것이다. 이는 알고리즘 실행 환경에서는 특정 입력 상태나 회로 구조에 따라 오류의 영향이 비균등하게 나타날 수 있기 때문이다. 실생활에서의 응용 연세대학교 퀀텀 이니셔티브(YQI)의 연구는 컴퓨터 설계와 알고리즘 개발에만 머물지 않는다. YQI는 작년 9월 킥오프 이후 연세대학교 의과대학과 협력하여 ARPA-H 기반 신약 개발 플랫폼 사업을 수행 중이다. 양자 머신러닝과 AI 플랫폼을 결합해 분자 설계 및 신약 개발 문제를 다루는 것이 핵심이다. 현재는 고전 상태벡터 시뮬레이션의 메모리 요구량이 지수적으로 증가하기 때문에 메모리 제한으로 인해서 13~14 큐비트만 넘어도 계산이 어려울 때가 있어서 IBM Quantum 자원을 활용해 용량을 늘리는 방법과 알고리즘을 개선하는 방법 두 가지를 전부 고려해보고 있다고 조경호 박사는 말한다. 전 세계적으로 머신러닝 기반 신약 개발은 최근 수년간 빠르게 성장해 왔다. 양자 계산을 결합한 접근은 아직 초기 시뮬레이션 단계지만, 가능성을 탐색하는 시도가 점차 확대되고 있다는 점은 주목해 볼 만하다. 양자 시대를 이끌어갈 이들이 가져야 할 태도 방정호 교수는 평소 연구를 떠받치는 사람의 태도 역시 중요하다고 입버릇처럼 말하곤 한다. 조경호 박사는 교수님께서는 차세대 인재에게 필요한 역량으로 “얼마나 배우고 싶은가”를 가장 먼저 꼽는다고 강조한다. 양자역학을 얼마나 많이 알고 있는지보다, 새로운 개념을 끝까지 붙들고 이해하려는 태도가 더 중요하다는 것이다. 연구실에는 다양한 전공 배경을 가진 구성원들이 모여 있으니만큼 선형대수학과 자연과학대 학부 수준의 기초가 갖춰져 있다면, 출신 전공 자체는 크게 문제가 되지 않는다. 단순히 Python 코드로 Qiskit이나 PennyLane을 다룰 줄 안다고 해서 양자 전문가가 되는 것은 아니다 보니, 도구를 사용하는 능력뿐만 아니라 개념을 이해하는 능력을 중시해야 한다고 말한다. 기초적인 수학·물리적 이해 위에서 스스로 질문을 확장해 나갈 수 있다면, 전문성은 연구 과정 속에서 충분히 쌓아갈 수 있다는 설명이다. 완전한 오류 정정이 구현되지 않은 NISQ 시대, 양자컴퓨팅은 여전히 과도기의 기술로 평가된다. 그러나 방정호 교수 연구실은 이 과도기 자체를 연구의 출발점으로 삼아, 현재 가능한 전략과 평가 방법을 모색하고 있다. 끊임없는 열정의 샘을 기반 삼아 새로운 질문을 던지고, 평가 방식을 재구성하며, 다양한 분야에 대한 응용 가능성과 한정된 자원으로 가능한 영역을 확장하려는 시도는 분명 진행 중이다. 이러한 연구의 축적은 한국 양자정보학계를 비롯한 국내 연구 공동체의 지속적인 관심과 논의 속에서 더욱 구체적인 방향성을 갖춰갈 것으로 기대된다.

탐방연구실 : 연세대학교 융합과학기술원 양자사업단 양자컴퓨팅센터

글 작성 : 퀀텀웨이브 학생 기자단 : 김도겸(한양대학교) / 이성빈(서울대학교) / 백원준(연세대학교) / 김성은(연세대학교) / 박연수(연세대학교)

대한민국 국방의 중심, 국방과학연구소에서 양자를 만나다.

오늘은 대한민국 국방 기술의 중심, 국방과학연구소(ADD)를 방문하였습니다. 삼엄한 보안을 뚫고 마주한 연구실에서는 단순한 무기의 성능 개량을 넘어, 미래 전장의 판도를 완전히 뒤바꿀 게임 체인저에 대한 연구가 한창이었습니다. 그 혁신의 중심에 놓인 핵심 키워드는 바로 ‘양자(Quantum) 기술’입니다. 현대전에 투입되는 첨단 무기 체계는 눈부시게 발전했지만, 치명적인 아킬레스건도 함께 안고 있습니다. 기존 무선 주파수(RF) 기반의 통신 체계는 적의 전파 교란(Jamming)이나 통신 방해에 취약해 순식간에 눈과 귀를 잃을 위험이 있습니다. 또한, 레이더망을 교묘히 피하는 스텔스 비행체나 깊은 바닷속에 은밀히 숨은 잠수함을 탐지하는 일은 고전 물리학에 기반한 기존 탐지 체계로는 부족한 부분이 있습니다. 국방과학연구소에서는 이러한 한계를 돌파하기 위하여 ‘양자 얽힘’과 ‘양자 중첩’이라는 자연계의 가장 미세하면서도 강력한 원리를 국방 체계에 이식하고 있습니다. 이를 통해 연기나 안개가 자욱한 극한의 전장에서도 미세한 자기장의 변화를 감지해 적의 위치를 파악하고, 물리적 도청이 원천적으로 불가능한 완벽한 암호 통신망을 구축하고 있습니다. 이러한 양자 기술은 국가 안보와 직결되는 최상위 전략 자산이기에, 심화되어가는 글로벌 양자 패권 경쟁에서 국외와는 차별화된 국방과학연구소만의 독자적인 기술을 개발해야 한다는 무거운 사명감이 연구소 곳곳에 배어 있었습니다. 양자 기술은 국가 안보와 직결되는 최상위 전략 자산입니다. 심화하는 글로벌 양자 패권 경쟁 속에서, 해외 기술에 의존하지 않고 우리만의 독자적인 기술 생태계를 구축해야 한다는 무거운 사명감이 연구소 곳곳에 배어 있었습니다. 이론과 수식이 가득한 실험실을 넘어, 실제 야전 속으로 양자 기술을 끌어내고 있는 국방과학연구소. 그곳에서 직접 듣고 경험한 생생한 양자 이야기를 지금부터 전해드립니다. 지뢰부터 지하 터널까지 가장 먼저 발걸음을 향한 곳은 원자 앙상블 기반 양자 센싱(Quantum Sensing) 연구실이었습니다. 지구에는 눈에 보이지 않는 거대한 자기장이 흐릅니다. 만약 땅속에 거대한 쇳덩어리인 탱크나 지뢰가 숨겨져 있다면 그 주변의 자기장은 아주 미세하게 일그러집니다. 양자 자기장 센서는 바로 이 미세한 자기장 변화를 포착하여 주변의 보이지 않는 위험을 탐색해 냅니다. 국방과학연구소는 이 초정밀 양자 센서를 활용하여 다방면의 탐지 기술을 개발하고 있습니다. 지상에서는 땅속에 묻힌 지뢰나 은밀하게 파놓은 지하 터널을 찾아냅니다. 해상에서는 수면 아래에 보이지 않는 해저 터널이나 숨은 잠수함을 탐지할 수 있도록 연구를 수행하고 있습니다. 특히, 이 센서를 드론에 탑재하여 이동하면서 자기장의 변화를 스캔하는 방식은 향후 유무인 복합 체계(Manned-Unmanned Teaming, MUM-T)와 결합하여 우리 군의 정찰 능력을 비약적으로 끌어올릴 전망입니다. 아울러 군사 작전에서 GPS 신호가 차단되거나 교란되는 상황 속에서도 자신의 정밀한 위치 인식을 가능하게 하는 양자 관성 센싱 기술도 함께 연구/개발 중이며, 우리 군의 작전 수행에 생존성과 정확도를 크게 높일 것입니다. 이미지 확대보기 그림 1. ADD에서 연구/개발 중인 양자 자기장 센서(왼쪽)와 양자 관성 센서(오른쪽) 물리부 구상도. 스텔스기를 찾아서 양자 센싱과 더불어 ADD가 공들여 담금질하고 있는 또 다른 무기는 양자 레이더(Quantum Radar)입니다. 기존의 레이더 체계는 전파를 쏘아 반사되는 신호를 잡아내는 방식입니다. 하지만 스텔스 비행체들은 이 전파를 흡수하거나 흩뜨려버리는 방식으로 자신을 투명하게 숨깁니다. 양자 레이더는 이 한계를 ‘얽힘 광자(Entangled Photons)’와 ‘양자 조명(Quantum Illumination)’이라는 신비로운 양자역학적 현상으로 돌파합니다. 보이지 않는 실로 연결된 듯한 두 얽힘 광자를 생성하고, 하나는 보관, 하나는 표적을 향해 안테나로 발사합니다. 비행체에 반사되어 돌아온 빛을 기지에 남겨둔 다른 얽힘 광자와 비교하면 숨겨진 비행체의 위치를 탐지할 수 있는 원리입니다. ADD는 기존 레이더 시스템의 한계를 돌파하기 위해서 양자 기술을 기반하여 다각적인 접근을 통해 심도 있는 연구를 이어가고 있습니다. 이미지 확대보기 그림 2. ADD에서 연구/개발 중인 양자 레이더의 작동 방식 우주와 지상을 연결하다 마지막으로 방문한 곳은 현대전의 핵심인 정보 통제를 완벽하게 수행하기 위한 양자 통신 연구실이었습니다. 기존의 무선 주파수(RF) 기반 통신은 적의 감청이나 전파 방해에 치명적인 약점을 노출합니다. 국방과학연구소는 이에 대항하는 궁극의 기술로 무선 양자암호통신(Quantum Key Distribution)을 집중적으로 연구하고 있습니다. 이 기술은 누군가 중간에서 통신망을 해킹해 정보를 가로채려는 순간, 양자의 상태 자체가 붕괴하여 도청이 물리적으로 불가능해지는 원리를 이용합니다. 연구소는 이 기술을 더욱 고도화하여 위성과 지상, 그리고 드론 등 다양한 이동 플랫폼을 안전하게 연결하는 양자 통신 네트워크 구축을 목표로 땀 흘리고 있습니다. 실험실을 넘어 야전 속으로 놀라운 점은 앞서 소개한 첨단 기술들이 단순히 항온항습이 완벽히 유지되는 쾌적한 실험실 안에서만 머물지 않는다는 것입니다. 변수가 쏟아지는 거친 야외 환경에서도 실제 운용이 가능하도록 치열한 연구가 이어지고 있습니다. 양자 통신 분야를 전담하는 박남훈 박사는 “양자 통신, 센싱, 레이더 기술이 이론적으로는 완벽할지라도, 실제 야전(Field) 환경에 당장 적용하기에는 현실적인 벽이 매우 높다”고 설명했습니다. 온도, 진동, 날씨 등 미세한 외부 환경 변화에도 극도로 민감하게 반응하는 양자의 까다로운 물리적 특성 때문입니다. 이를 극복하기 위해 연구원들은 실험실을 벗어나, 현장에서 직접 데이터를 수집하고 발생하는 수많은 오류를 끈질기게 수정해 나가며 기술의 완성도를 높이고 있습니다. 이미지 확대보기 그림 3. ADD에서 연구/개발 중인 양자 암호 통신 네트워크의 작동 방식 ADD, 미래를 향해서 현재 국방과학연구소는 대한민국 양자 기술 분야에서 매우 독보적인 위치를 차지하고 있습니다. 대학과 연구소의 기초 양자 연구 성과를 실전 장비로 탈바꿈시키며, 현장에서 발생하는 문제와 해결 방안을 심도 있게 탐구합니다. 단순히 기초 연구에 머물지 않고 기술의 산업 응용성을 높이며 실전 배치를 위한 기술성숙도(TRL) 확보에 전력을 다하는 것은, 바로 산업계와 학계를 잇는 튼튼한 가교(Bridging) 역할을 수행하기 위함입니다. 제3기술연구원 인용섭 팀장은 "글로벌 양자 패권 경쟁 속에서 연구진들이 막중한 책임감을 안고 열심히 연구에 임하고 있지만, 국가적으로 양자 전문인력이 여전히 부족한 실정"이라며 아쉬움을 전했습니다. 하지만 양자 국방의 미래를 짊어질 유능한 인재들을 향한 연구소의 문은 활짝 열려 있습니다. 국방과학연구소 양자기술 연구팀은 진로를 고민하는 이공계 학생들에게 ‘과학기술전문사관’ 제도를 통해 현장에서 직접 첨단 기술을 연구하며 과학의 한계에 도전할 열정 넘치는 청년들을 적극적으로 환영한다는 뜻을 밝혔습니다. 보이지 않는 미시 세계의 양자를 통제해 가장 강력한 국가 안보의 방패를 만들어가는 곳. 실험실을 넘어 험난한 현장에서도 대한민국의 안전한 내일을 묵묵히 설계하고 있는 국방과학연구소와, 세상을 바꿀 미래의 양자 과학자들에게 뜨거운 응원의 박수를 보냅니다.

탐방연구실 : 국방과학연구소(ADD)

글 작성 : 퀀텀웨이브 학생 기자단 : 김도겸(한양대학교) / 이성빈(서울대학교) / 백원준(연세대학교) / 김성은(연세대학교) / 박연수(연세대학교)

반짝임 그 이상: 다이아몬드의 결함이 만드는 초정밀 양자 센서

이미지 확대보기 다이아몬드 NV 센터를 활용한 양자센싱 및 이미징 연구의 기초부터 응용, 산업 활용까지의 예(출처: K. Kim et al., Advanced Photonics 7, 064002(2025), https://doi.org/10.1117/1.AP.7.6.064002) “고려대 이동헌 교수, 양자 센싱·이미징 연구의 최전선 - 양자 기술은 기초와 응용이 동시에 춤추는 독특한 분야” 고려대학교 물리학과 이동헌 교수가 이끄는 Quantum Sensing and Imaging (QuSI) 연구실은 다이아몬드 내 '양자 결함'이라는 특별한 큐비트를 활용해 양자 센싱 및 이미징이라는 두 분야를 개척하고 있습니다. 완벽해 보이는 다이아몬드도 그 결정 안을 자세히 들여다보면 수많은 원자 결함들이 존재하고 있습니다. 때로는 이러한 결함들이 핑크 다이아몬드와 같은 보석의 색을 결정하기도 해서 색중심(color center)이라 부르기도 합니다. 연구실의 핵심은 이러한 다이아몬드 속 질소-공극(Nitrogen-Vacancy, NV) 점 결함입니다. 다이아몬드 내부의 이 미세 점결함은 전자의 스핀 상태를 상온에서도 양자 상태를 오래 유지할 수 있어서 차세대 스핀 큐비트로 주목받고 있습니다. QuSI 연구실은 이 NV 센터의 스핀을 정밀하게 조작하는 연구를 진행하면서, NV-핵스핀이나 NV-NV 쌍을 이용한 다중 큐비트 기반의 양자 센싱 프로토콜 개발을 연구하고 있습니다. 다양한 양자 제어 알고리즘을 개발하여 큐비트의 결맞음 시간을 늘리고, 측정 민감도를 고도화하는 등 실용적인 양자 센서 개발에 필요한 토대를 쌓고 있습니다. QuSI의 연구는 정보 처리를 넘어 미시 세계를 관찰하는 새로운 도구 개발로 확장됩니다. NV 센터를 초민감 센서로 활용해 양자 이미징과 센싱 기술을 발전시키고 있는데, 특히 다이아몬드 NV 센터를 탐침으로 쓰는 주사 탐침 현미경(Scanning Magnetometry) 기술을 개발했습니다. 이를 통해 나노미터 수준의 해상도로 다양한 고체 물질 및 소자의 자기장 분포, 전류 흐름, 스핀 현상을 비파괴적으로 측정할 수 있습니다. 이러한 기술은 첨단 자성 소재나 반도체 소자를 분석하는 데 유용하며, 생체 내 미세 자기 활동 측정이나 단일 분자 수준의 핵자기공명(Nuclear Magnetic Resonance, NMR), 나노-MRI(Magnetic Resonance Imaging) 같은 생의학 응용까지 확장이 가능할 것으로 기대됩니다. 연구 외에도 QuSI 연구실은 양자 기술 교육에 힘쓰고 있습니다. 학생과 일반인이 직접 체험할 수 있는 교육용 큐비트 ·양자 센싱·컴퓨팅 기초 실험 장치(QuLIUS)를 개발해 양자 과학의 문턱을 낮추고 있습니다. 이러한 노력은 미래 인재를 양성하고 국내 양자 과학기술 생태계를 키우는데 밑거름이 되고 있습니다. 다이아몬드 속, 원자 크기의 ‘큐비트’ 우리가 일반적으로 떠올리는 다이아몬드는 “완벽하게 정렬된 탄소 격자”로 이루어진 보석입니다. 그러나 QuSI 연구실에서 연구되는 다이아몬드는 일부러 격자를 흐트러뜨립니다. 탄소 자리 하나를 비워 결함(vacancy)을 만들고, 그 옆에 탄소 대신 질소를 심습니다. 이렇게 인위적으로 만든 결함 구조는 바로 NV 센터(Nitrogen–Vacancy center)입니다. 얼핏 들으면 단순한 흠결처럼 보이지만, 이 결함은 오히려 다이아몬드 내부에서 전자 스핀을 가진 원자 단위의 양자 큐비트로 기능합니다. 이동헌 교수는 NV 센터를 설명하면서 흥미로운 비유를 들었습니다. “진공에 있는 이온트랩과 중성원자와 거의 동일한유사한 특성을 보이지만, 다이아몬드 안에 있기 때문에 훨씬 컴팩트합니다. 그래서 센서로서의 활용성이 뛰어나죠.” 실제로 NV 센터는 양자센싱 측면에서 고전적인 양자컴퓨팅 플랫폼(초전도체 큐비트나 이온트랩)과 비교해 압도적인여러 장점을 가집니다. 초전도 큐비트는 극저온 냉동기와 복잡한 마이크로파 장치가 필요하고, 이온트랩이나 중성원자는은 초고진공 환경과 다단복잡한 트랩 구조가 필수인 반면, NV 센터는 상온·대기압에서, 별도의 트랩 없이도 안정적으로 동작합니다. 이는 “양자 컴퓨터는 거대한 냉장고 속에 들어있다”는 기존의 이미지와는 완전히 다른, 일상 환경 속 양자 센서의 가능성을 여는 대목입니다. 다이아몬드 표면 가까이에 NV 센터를 배치하면 그 큐비트는 나노미터(nm) 거리에서 일어나는 극도로 미세한 변화를 감지할 수 있습니다. 어떤 변화일까요? ‘수십 나노미터 거리의 자기장 변동, 국소 온도 변화, 근처 원자핵의 스핀 움직임’ 이 모든 것을 감지할 수 있습니다. 이미지 확대보기 다중 큐비트 기반의 양자센싱 실험 셋업 사진 비유하자면, 기존의 자기력 현미경(Magnetic Force Microscopy, MFM)이나 NMR/MRI 같은 장비가 ‘넓은 바다 위 파도’를 관측하는 기술이라면, NV 기반 양자 센서는 한 방울의 물속에서 일어나는 미세한 흐름까지 읽어낼 수 있는 현미경에 가깝습니다. 단일 분자 혹은 단백질 수준의 구조 분석 가능성이 거론되는 이유도 여기에 있습니다. 방해를 주지 않고 ‘살며시 관찰하는 센서’, 즉 완전한 비파괴 측정이라는 NV 센서의 가장 큰 장점이 실현되는 것입니다. 이 기술이 열어주는 미래는 매우 다층적입니다. 바이오·의료 분야에서는 단백질과 분자 단위의 구조 분석을 가능하게 하여 신약 개발에 새로운 접근을 제공합니다. 생체 내 미세 환경을 실시간 모니터링하는 센서, 나노 의학 기술, 심지어 살아있는 세포 내부를 들여다보는 기술까지도 이론적으로는 NV 센서의 영역에 있습니다. 소재·반도체 분야 역시 큰 변화를 맞이합니다. 배터리 내부의 전류 분포를 10 nm 단위에서 측정하거나, 반도체 공정 중 발생하는 극미세 결함을 비파괴 방식으로 탐지하는 기능은 기존 기술로는 상상하기 어려운 영역이었습니다. NV 센서는 이 불가능을 현실로 만듭니다. 국방·보안 분야는 또 다른 가능성을 제시합니다. 지하 구조물 탐지, 극미약한 자기장의 이상 신호 탐지, 정밀 항법 장치 등 NV 센서를 활용한 기술은 이미 미국·유럽·중국에서 개발·제품화가 진행 중이며, 일부는 실제 배치 단계에 있습니다. NV 기반 센서는 ‘고정밀 자기장·중력 측정 기술의 패러다임을 완전히 바꿀 플랫폼’으로 평가됩니다. 그러나 연구실의 성과를 곧바로 산업 현장에 적용할 수 있는 것은 아닙니다. 이동헌 교수는 현실적인 기술적 과제를 명확하게 짚었습니다. “실험실의 거대한 광학·레이저 장비를 현장용, 휴대용 센서로 만드는 과정에서는 민감도가 떨어질 수 있고, 잡음이나 환경 변화에 취약해집니다.” 실제로 NV 센서는 레이저·광학계·마이크로파 장치 등이 정교하게 맞물려 작동하는 시스템입니다. 이를 손바닥만 한 크기의 포터블 장치로 만들려면, 단순히 부품을 줄이는 것이 아니라 광학 정렬, 소자 내구성, 열 안정성, 전자 신호 처리 등 엔지니어링이 필요합니다. “양자 센서가 실제 산업·국방·의료 현장에서 활약하려면 과학자와 엔지니어가 긴밀하게 협력해, 높은 민감도를 유지하면서도 실사용 환경에서 안정적으로 구동될 수 있는 기술을 완성해야 합니다. 유럽, 미국, 중국은 이미 이 문제를 많이 해결하고며 제품화 단계에 진입하고 있습니다.” 결국 NV 센서의 성공은 ‘과학자의 양자 물리학적 정교함’과 ‘엔지니어의 견고함’이 얼마나 자연스럽게 결합할 수 있는지에 달려 있다고 볼 수 있습니다. QuSI 연구실은 바로 이 경계면, 기초와 혁신, 실험실과 산업, 나노 구조와 일상 기술에서 새로운 시대의 센서를 설계하고 있습니다. QuSI 연구실이 꿈꾸는 것 - 단순한 실험실이 아니다 많은 양자 연구실이 “더 많은 큐비트, 더 빠르고 더 깊은 양자 게이트”를 목표로 나아가고 있습니다. 세계적 연구 그룹일수록 경쟁적으로 큐비트 수를 증가시키고, 오류율을 낮추며, 대규모 양자 컴퓨팅의 시대를 앞당기는 데 집중합니다. 하지만 QuSI 연구실의 방향은 조금은 다릅니다. “우리는 5~10개 큐비트만으로도 충분히 의미 있는 양자 센서를 만들 수 있다고 믿습니다.” 이 말은 단순한 선택의 문제가 아니라, 기술적 현실과 산업적 필요를 정확히 파악한 전략에서 나온 것입니다. 현재 연구실은 이미 5큐비트 레지스터 기반 양자 센싱 알고리즘을 구현했으며, 2큐비트 간 게이트 연산도 실험적으로 시연했습니다. 다시 말해, 큐비트 수 경쟁에 끼어드는 것이 아니라 NV 센서 플랫폼이 가장 잘할 수 있는 방향을 중심으로 발전시키는 것입니다. 그렇다고 해서 기술적 야심이 낮다는 의미는 아닙니다. 오히려 QuSI는 “상용화 가능한 소형 양자 센서”라는 매우 현실적이고, 동시에 산업적 파급력이 큰 목표를 바라보고 있습니다. 기존 양자 컴퓨팅 중심 연구가 “거대한 냉각기 속 수백 큐비트 시스템”이라는 실험실 중심의 장비를 다룬다면, QuSI는 우리가 실제 손에 들고 사용할 수 있는 양자 센서를 연구합니다. 이는 양자 기술을 일상 속으로 끌어오는 작업이기도 합니다. 교육도 연구의 연장선으로… QuSI가 만든 ‘QuLIUS’ 더욱이 흥미로운 점은 QuSI의 목표가 연구에만 머물지 않는다는 것입니다. QuSI는 양자 기술의 확장과 저변 확대를 위해 교육 자체를 연구 분야의 일부로 포함하고 있습니다. 그 핵심이 바로 최근 연구실에서 자체 개발한 교육용 장비 ‘QuLIUS(Quantum Learning and Instructional Unit for Students)’입니다. 이미지 확대보기 QuLIUS를 활용한 양자센싱 대학원 수업 실험 진행 모습 QuLIUS는 기존의 양자 실험 장비와 달리, 대형 광학 테이블이나 고가의 레이저 세트가 필요 없습니다. 노트북 하나만 있으면 연결해 사용할 수 있을 정도로 작은 장비이며, 학생들은 이 장치를 통해 스스로 큐비트를 제어하고, 신호를 읽고, 실제 센싱 알고리즘을 체험할 수 있습니다. 단순한 시뮬레이션이 아니라, 실제 NV 센터 기반 큐비트를 만지고 조작하는 경험을 가능하게 합니다. 이미 고려대 학부·대학원 강의에서 활용되고 있으며, 고등학생 대상 교육에도 투입되었습니다. “양자는 이론 수업으로만 배우면 어렵습니다. 손으로 만지고, 관찰하고, 실험해야 비로소 ‘아, 이런 거구나’ 하고 이해됩니다.” 즉, QuLIUS는 단순한 교육 도구가 아니라, QuSI가 추구하는 ’양자 기술의 일상화, 교육의 실험화’ 라는 철학을 담은 장치입니다. 양자 기술이 ‘느껴지는 기술’이 되는 순간 이동헌 교수는 인터뷰를 마무리하면서, 양자 기술에 대한 대중의 오해를 조심스럽게 짚었습니다. 사람들은 여전히 양자를 “먼 미래의 기술”, “거대한 연구소 안에서만 가능한 기술”로 생각하지만, NV 센서는 그 인식을 흔들어 놓습니다. “양자 기술은 먼 미래 기술이 아닙니다. 우리 주변에서 ‘느낄 수 있는’ 기술이어야 합니다.” 다이아몬드 속 결함 하나, 보석 기준으로는 불량이라 불릴 수도 있는 미세한 구조가, 우리와 완전히 동떨어져 있다고 느껴왔던 나노 세계를 현실과 연결하는 다리로 연결 지었습니다. 그 다리 위에서 QuSI는 기초 물리의 깊이와 산업 현장의 실제 요구가 만나는 지점을 탐구합니다. 대규모 양자컴퓨터가 등장하려면 여전히 넘어서야 할 장벽이 많다고 이동헌 교수는 말합니다. 극저온 제어, 오류 보정, 소자 집적 등 기술적 난제들이 산처럼 쌓여 있습니다. 그 사이에서 QuSI는 다른 길을 개척하고 있습니다. “작지만 실제로 쓰일 수 있는 양자 장치”라는 분야에서, 이미 세계적으로 경쟁 가능한 성과를 내고 있습니다. “양자 센서가 먼 미래의 그림이 아니라, 오늘 실현 가능한 도구임을 보여주는 연구실” 지금 이 길은 막 시작되었습니다. 하지만 다이아몬드 속 작은 결함이 보여주는 세계는 명확합니다. 양자 기술은 어렵고 먼 곳에 있는 것이 아니라, 우리가 손으로 만지고, 눈으로 관찰하고, 산업에 적용할 수 있는 기술로 이미 우리 앞에 와 있습니다. QuSI 연구실이 열고 있는 이 작은 문은 앞으로 양자 기술이 일상 기술로 확장되는 거대한 흐름의 첫 걸음이 될 것입니다. 양자 시대 인재에게, 필요한 건 ‘인내’와 ‘열린 마음’ “양자 기술은 지금 ‘기초’와 ‘응용’이 동시에 달리는 마라톤입니다. 그래서 단기 성과만 보지 말고, 긴 시간 인내하며, 또 고전 기술, 반도체, 재료공학, 아니면 생물학 등에 이르기까지 다양한 분야를 넘나들 줄 아는 열린 마음이 필요합니다.” QuSI 연구실은 이 같은 인재를 키우기 위해, 기초 연구와 산업화, 교육을 동시에 추진하고 있습니다. 단순히 논문을 쓰기 위한 연구실이 아니라, “누구나 양자를 만져보고, 느끼고, 쓸 수 있도록” 하는 연구실. 다이아몬드 속 단 하나의 결함이, 우리가 그토록 멀게만 느껴왔던 나노 세계와 현실 세계를 잇고 있습니다. 기초 물리의 정수와, 산업의 수요가 만나는 지점, 그곳에서 QuSI 연구실은 ‘양자 센서가 먼 미래의 그림이 아니라, 오늘 실현 가능한 도구임을 보여주는 증인’이 되고자 합니다. 그리고, 이 길은 이제 막 시작되었습니다.

탐방연구실 : 고려대학교 Quantum Sensing and Imaging (QuSI) 연구실

글 작성 : 퀀텀웨이브 학생 기자단 : 박연수(연세대학교) / 김성은(연세대학교) / 이성빈(서울대학교) / 김한결(광운대학교) / 박성근 (고려대학교)