라이덴대, 초전도 나노와이어로 광자수 1~3개 분해 검출기 개발…QuiX 양자컴퓨터 연계 추진

광자 개수 판별이 필요한 이유

광학 양자컴퓨터는 광자를 연산의 기본 단위로 사용한다. 계산이 올바르게 수행되려면 특정 지점에 동시에 도달한 광자의 수를 정확히 파악하는 것이 필수적이다. 기존 광검출기는 광자의 존재 여부—있느냐 없느냐—만 확인했을 뿐, 동시에 도달한 광자의 수를 구별하는 능력은 갖추지 못했다. Baalbergen의 연구는 이 한계를 극복해 1개, 2개, 3개 이상을 구별하는 성능을 실증했다. 아직 추가 개발이 필요한 단계이지만, 개념 검증 차원에서 근본적인 진전이라는 평가다.

초전도 나노와이어 기반 검출 원리

Baalbergen이 연구한 소자는 극저온에서 전기 저항이 0이 되는 초전도 현상을 이용하는 나노와이어 단일광자검출기(SNSPD)다. 광자가 나노와이어에 충돌하면 초전도 상태가 국소적으로 깨지며 측정 가능한 전기 신호가 발생한다. 그는 검출기와 판독 전자 회로 사이의 연결 방식을 최적화해 신호 손실을 줄이는 방안도 연구했다.

시간 도함수 기법과 AI 분석의 결합

Baalbergen은 이론물리학자 Ilse Kuijf, 석사과정생 Lars Seldenthuis와 공동으로 새로운 신호 분석 방법을 고안했다. 세 연구자는 전기 신호의 진폭만을 분석하던 기존 방식에서 벗어나, 신호가 시간에 따라 어떻게 변화하는지도 함께 분석함으로써 광자 개수를 더 정확하게 역추산하는 기법을 제안했다. 이 방법은 판독 회로에 대한 사양 요구가 비교적 낮아 현실적 적용이 용이하다는 장점이 있다. 관련 연구 결과는 2026년 7월 APS Open Science에 게재됐다(DOI: 10.1103/dwth-wjtr). Kuijf는 별도로 AI 기법을 활용해 기존 실험 데이터에서 추가 정보를 추출하는 연구를 병행하고 있다.

QuiX Quantum과의 연계 및 광학 방식의 장점

Baalbergen은 박사 연구 기간 동안 광학 양자컴퓨터 전문 기업 QuiX Quantum과 협력했다. QuiX Quantum은 2026년 여름 광학 양자컴퓨터 최초 작동 프로토타입을 출시한 바 있으며, Baalbergen은 자신이 개발한 검출기가 차세대 시스템에 탑재될 것으로 내다봤다.

광학 양자컴퓨터의 주요 이점은 대부분의 구성 부품이 상온에서 작동한다는 점이다. 초전도 큐비트 방식은 절대 영도 근방까지 냉각해야 하는 대형 냉각 설비가 필수적이지만, 광학 방식에서는 이 비용과 운용 복잡성이 크게 줄어든다. 다만 SNSPD 자체는 초전도 동작을 위해 여전히 극저온 환경이 필요하다는 점은 기술적 과제로 남아 있다.

한계와 전망

이번 연구는 광학 양자컴퓨터를 구성하는 여러 핵심 부품 중 하나에 해당하는 성과로, 현 단계는 개념 검증 및 초기 성능 시연에 가깝다. 광자수 분해 범위를 더 높은 수준으로 확장하고, 검출 효율·동작 속도를 함께 개선해야 실용 수준에 도달할 수 있다.