우주서 양자컴퓨터 가동 성공…"지구 궤도서 데이터 처리"

지구 궤도를 도는 수많은 인공위성은 방대한 양의 데이터를 수집한다. 하지만 수집한 데이터를 지상 수신국으로 전송할 때 다운링크 대역폭 한계와 지상국과의 교신 빈도 제한 때문에 많은 문제가 발생한다. 이런 문제를 해결할 방안 중 하나로 위성 내부에서 수집한 원시 데이터를 직접 처리하고 압축하는 방식이 제시돼 왔다. 오스트리아 빈대학교 필립 발터 교수가 이끄는 연구진은 최근 광학 양자 프로세서를 위성에 탑재해 우주 공간에서 양자 컴퓨터를 작동시키는 데 성공했다고 과학매체 사이언스얼럿이 최근 보도했다. 양자 컴퓨터는 주변 환경의 미세한 변화에도 양자 상태가 쉽게 깨질 정도로 민감한 장치다. 열과 진동, 전자기파 간섭 등 외부 환경 변화는 오류를 일으키거나 양자 중첩 및 얽힘과 같은 양자 현상을 방해할 수 있다. 연구팀이 개발한 프로세서는 빛의 입자인 광자를 이용해 양자 정보를 처리하는 광학 양자 시스템이다. 유리 칩에 구현된 광학 회로에 한 쌍의 광자를 주입하고, 두 광자가 도착 시간과 편광, 파장 등에서 구별할 수 없는 상태를 유지해야 양자 간섭과 연산이 가능하다. 연구진은 시속 약 2만 8000㎞로 지구 궤도를 도는 위성 내부에서 강한 태양광과 발사 과정에서 발생하는 진동 등 극한의 환경을 견디면서 이 같은 조건을 구현해야 했다. 연구진은 2025년 6월 23일 스페이스X 팰컨9 로켓에 해당 시스템을 탑재해 고도 약 510㎞의 저궤도로 성공적으로 발사했다. 위성의 궤도 진입 후 연구진은 태양광 간섭 및 우주 방사선에 대한 성능 저하 등 다양한 위기들을 직면했으나 이를 차례대로 해결했다. 여러 악조건 속에서도 연구진은 양자 컴퓨터 작동을 입증하는 핵심 증거인 '홍-오-맨델 딥(Hong-Ou-Mandel dip)' 현상을 우주에서 측정하는 데 성공했다. 홍-오-맨델 딥은 양자광학 분야에서 두 개의 구별할 수 없는 단일 광자가 동시에 하나의 빔 스플리터에 입사할 때 나타나는 양자 간섭 현상이다. 두 광자가 서로 구별할 수 없는 상태에서 강한 양자 간섭을 일으키는지를 확인할 수 있어 광학 양자 시스템의 성능을 검증하는 지표로 활용된다. 다만 이번 프로세서는 아직 위성에서 수집한 대규모 데이터를 실제로 처리할 수 있는 수준은 아니다. 연구팀은 이번 실험이 향후 설계를 개선하고 우주 궤도 환경에서 더욱 안정적으로 작동할 수 있는 양자 장비를 개발하기 위한 중요한 시험대가 될 것으로 보고 있다. 연구팀은 이번 성과가 향후 위성 자체에서 데이터를 압축하고 분류한 뒤 필요한 결과물만 지상으로 전송하는 시스템 개발의 출발점이 될 것으로 기대하고 있다. 나아가 기존에 구축되고 있는 위성-지상 간 양자암호통신 기술과 결합하면 글로벌 네트워크 전역에서 작동하는 분산형 우주 양자 컴퓨팅 아키텍처 구축에도 한 걸음 더 다가설 수 있을 것으로 연구진은 전망했다. 이번 연구 결과는 아직 동료 심사를 거치지 않았으며, 논문 사전 공개 플랫폼 아카이브(arXiv)에 공개됐다.