실온에서 작동하는 양자 칩: 포토닉 혁명은 유리에서 시작된다

1. 프롤로그: 양자의 새벽은 유리색의 아침놀

양자 컴퓨터는 "세상을 바꾸는 계산기"라고 불린 지 오래되었습니다. 그러나 초전도체나 이온 트랩과 같은 기존 플랫폼은 극저온 장치나 복잡한 진공 시스템이 필요하며, 실용화 비용이 너무 높다는 과제를 안고 있었습니다.

그러나 2025년 7월, 이탈리아 밀라노를 중심으로 한 EU 연구팀이 유리 기판에 광도파로를 직접 쓰는 레이저 라이팅 기술을 채택한 포토닉 양자 칩을 발표하며 상황이 일변했습니다. 양자 비트(큐비트)를 담당하는 것은 전자나 이온이 아닌, **광자(포톤)**입니다. 상온에서 작동하며, 신호는 광속으로 전달되고, 에너지 손실도 현저히 적습니다. 바로 "새벽"을 알리는 돌파구입니다.phys.org

2. QLASS 프로젝트란 무엇인가

이 돌파구를 이끄는 것은 폴리테크니코 디 밀라노(PoliMi)가 총괄하는 QLASS(Quantum Glass-based Photonic Integrated Circuits) 프로젝트입니다. 이탈리아, 프랑스, 독일의 대학, 연구소, 스타트업 11개 연구기관이 결집하여, EU Research & Innovation Magazine "Horizon"이 상세 보도하면서 일약 주목을 받았습니다. 목적은 간단합니다――유리제 양자 칩에 의한 200 모드 이상의 재구성 가능 포토닉 양자 프로세서를 2026년까지 실기화하는 것입니다.phys.org

핵심 기업은 이탈리아의 스타트업 Ephos입니다. 이 회사는 NATO DIANA로부터의 보조금과 유럽 및 미국 VC로부터 총 850만 달러를 조달하여, 밀라노 교외에 세계 최초의 유리 양자 칩 전용 팹을 개설한 참입니다.reuters.com CEO인 안드레아 로켓토(Andrea Rocchetto) 씨는 "광자를 놓치지 않는 최상의 재료가 유리"라고 말합니다. 유리는 실리콘에 비해 광학 손실이 10분의 1 이하이며, 상온 작동으로 인해 냉동기도 불필요――전력 사용량은 현저히 낮습니다.

3. 기술의 핵심: 펨토초 레이저 라이팅

Ephos가 자랑하는 독자 기술은, 펨토초(10⁻¹⁵ 초) 레이저로 유리 내부에 삼차원 도파로를 "직접 쓰는" 방법입니다. 이는 티타늄 사파이어 레이저로 굴절률을 국소적으로 변조하여, 빛을 가두는 나노스케일의 <빛의 길>을 조각합니다. 기존의 실리콘 포토닉스가 평면(2D) 배선에 제약되었던 것에 비해, 유리는 수직 방향으로도 자유 곡선을 그릴 수 있는 3D 배선이 가능합니다. 결과적으로, 200 모드→400 모드로의 스케일 업도 이론상 마스크 변경만으로 실현할 수 있습니다.phys.org

독일의 Pixel Photonics가 제공하는 SNSPD(초전도 나노와이어 단일 광자 검출기)와 결합하여, 단일 광자의 손실 없는 검출을 목표로 합니다. 또한 프랑스 Unitary Foundation France는 오픈 소스 양자 SDK를 개발하고, 몽펠리에 대학 그룹이 리튬 이온 배터리의 양자 시뮬레이션을 담당합니다. 이 분업 체제야말로 EU Chips Act가 내세우는 "유럽 내 공급망 자급자족"의 축소판이라 할 수 있습니다.phys.org

4. 왜 유리인가――환경·비용 양면의 우위

• 에너지 절약: 상온 작동으로 인해, 초전도 칩에 필수적인 희석 냉동기(연간 1,000만 엔 이상의 전기 요금)가 불필요합니다.

• 저탄소: 유리 제조는 실리콘 전 공정에 비해 CO₂ 배출량을 75% 줄일 수 있다고 합니다.wsj.com

• 수율: 레이저 직접 그리기 때문에 포토리소 공정이 크게 줄어들고, 결함률도 감소합니다.

• 비용: Ephos에 따르면 12인치 상당 기판당 제조 원가는 실리콘 포토닉스의 3분의 1입니다.

더욱이 광자는 상온에서 디코히런스하기 어려워, 오류 수정 오버헤드를 20% 이상 줄일 수 있다는 보고도 있습니다. 연구 단계이긴 하지만, 실용 양자 우위(양자 컴퓨터가 가장 빠른 클래식 기기를 능가하는 임계값)에 한 발 더 다가갈 수 있는 재료가 갖추어졌습니다.

5. 산업 응용: 배터리 설계에서 AI 추론 가속까지

1. 차세대 배터리 시뮬레이션
   몽펠리에 대학은 변분 양자 알고리즘(VQA)으로 리튬 확산 경로를 풀고, 전해질 최적화에 도전 중입니다. 실험실 구현의 50 모드 광 칩으로 클래식 대비 30배의 속도 향상을 확인했다고 합니다(비공개 프리프린트에서).

2. 신약 개발
   단일 광자 간섭을 이용한 해밀토니안 인코딩으로, 항암제 후보 분자의 배치 에너지 차이를 picochem 정밀도로 산출합니다.

3. AI 가속기
   수리 최적화(QAOA)나 선형 대수(HHL 알고리즘)는 GPU보다 에너지 효율이 100배 높다고 추산됩니다. 이는 데이터 센터의 탈탄소화에 직결됩니다.wsj.com

6. SNS에서 보는 "양자 유리 돌풍"

"The QLASS project just secured €6 M from the EC to push photonic quantum chips made of glass. Europe is finally playing to its strengths! 🌍💡" ― The Quantum Insider@QuantumDaily (X)twitter.com

"Politecnico di Milano coordinates #QLASS to harness photon quantum properties. Proud to be part of this journey!" ― Politecnico di Milano 공식 (X)twitter.com

"Sviluppare un pc quantistico che funziona a temperatura ambiente: obiettivo QLASS."（상온 작동의 양자 PC를 만드는 것이 QLASS의 목표） ― ANSA Scienza&Tecnica (X)twitter.com

"NATO-backed Ephos raises $8.5 M to build world’s first glass-based quantum photonic fab. The race just got brighter!" ― Quantum Insider@QuantumDaily (X)twitter.com

SNS에서는 "#PhotonicChips", "#ClimateTech", "#DeepTechEU" 등의 해시태그로 논의가 활발해지고 있습니다. 특히 탈탄소를 중시하는 젊은 층에서는 "냉동기 없는 것이 신이다", "양자=에코의 시대가 왔다"는 긍정적인 목소리가 많은 반면, "유리는 깨지기 쉬운 것 아닌가?"라는 우려도 제기되고 있습니다.

7. 과제: 스케일링과 표준화

가장 큰 벽은 "싱글 포톤 소스와 검출기의 양산"입니다. SNSPD는 현재도 극저온 환경이 필요하기 때문에, 상온 SNSPD의 개발이 시급한 과제입니다. 또한 양자 애플리케이션은 알고리즘 층과 하드웨어 층의 밀접한 결합이 필수적이며, 소프트웨어 API의 표준화가 지연되면 생태계는 분단될 것입니다. EU는 2030년까지 양자 칩 출하의 20%를 지역 내 조달하는 목표를 내세우고 있지만, 그 달성을 위해서는 오픈 소스＋특허 풀의 두 축이 필수적입니다.phys.org

8. 미래 전망: 포토닉×그린×유럽 주도

EU Chips Act가 양자 분야까지 사정권에 넣음으로써, 포토닉 양자는 "탈탄소", "공급망 자립"이라는 두 가지 지정학적 아젠다를 동시에 충족하는 비책이 되었습니다.

만약 QLASS가 2026년에 200 큐비트급 데모기를 완성한다면, 유럽 최초의 양자 가속 슈퍼컴퓨터(EuroHPC JU 관할)가 밀라노에 설치될 가능성도 높습니다. 완성 후 5년 이내에 1,000 큐비트, 10년 이내에 1 M 큐비트를 목표로 하는 로드맵은 기존의 초전도 세력에 식은땀을 흘리게 하고 있습니다.

9. 에필로그: 유리 속에 펼쳐지는 양자 우주

1960년대, 실리콘이 전자공학의 패자가 되었듯이, 2020년대 후반――빛과 유리가 양자 정보 처리의 토대가 될지도 모릅니다."Cracking the quantum code"――이 캐치프레이즈는 결코 과장이 아닙니다. 지금, 유리 조각에 갇힌 희미한 빛은 인류가 안고 있는 거대한 계산 문제를 푸는 열쇠가 되어가고 있습니다.양자의 미래는, 투명한 유리 속에서 조용히 빛을 더해가고 있습니다.