빈대학교 연구팀, 양자광자 프로세서 최초 지구 저궤도 탑재·8개월 운용 성공

위성 데이터 병목 문제, 궤도 내 처리로 풀 수 있을까

현재 지구를 도는 위성들은 수집한 원시 데이터를 모두 지상으로 전송한다. 이 과정에서 통신 대역폭 한계로 인한 병목이 발생하는데, 이는 수십 년째 해결되지 않은 고질적인 문제다. 빈대학교 필립 발터 팀이 제시한 접근법은 위성 내부에서 데이터를 1차 처리한 뒤 압축된 결과만 지상으로 보내는 것이다. 이 아이디어를 실현할 핵심 장치가 바로 양자광자 프로세서다.

광자로 연산하는 소형 양자 프로세서

연구팀이 설계한 장치는 광자쌍 소스, 6모드 집적 유리 회로 칩, 단일광자 검출기(SPAD), 제어 전자장치로 구성된다. 레이저를 결정에 통과시켜 광자쌍을 만들고, 미세 히터로 위상을 조절하면서 유리 회로 안에서 광자가 이동하고 간섭하게 한다. 이후 회로 출구에서 광자를 포착·측정하는 방식으로 연산이 이루어진다. 기존 반도체 기반 양자 장치와 달리 극저온 냉각 장치가 필요 없다는 점이 광자 방식의 실용적 장점이다.

팰컨 9 발사 직후 검출기 절반 손실

이 프로세서는 2025년 6월 23일 SpaceX 팰컨 9 로켓에 실려 저궤도에 진입했다. 그러나 발사 직후 6개의 단일광자 검출기 중 절반인 3개가 작동을 멈췄다. 방사선, 급격한 온도 변화, 진공 환경 등 우주의 가혹한 조건이 정밀 광학 부품에 영향을 준 것으로 파악된다. 연구팀은 남은 3개의 검출기만으로 임무를 계속 이어갔다.

8개월 운용에서 두 광자 간섭 관측 성공

절반이 손실된 상황에서도 프로세서는 8개월 동안 광자쌍을 안정적으로 생성·조작·검출하는 데 성공했다. 연구팀은 회로 설정을 바꾸고 광자 조건을 정밀 조정해 두 광자 간섭 현상을 탐색했으며, 우주 환경에서 이를 실제로 관측하는 성과를 거뒀다. 이는 지상 실험실 밖에서 프로그래머블 양자광자 회로가 작동함을 처음으로 보인 사례다.

실용화까지 남은 과제

이번 성과는 출발점에 불과하다. 위성이 실제로 지구 관측 데이터를 양자 프로세서에 직접 입력해 처리하려면, 센서와 프로세서를 물리적으로 연결하는 루프를 완성해야 한다. 또한 긴 데이터 취득 시간 동안 시스템이 안정적으로 동작할 수 있어야 하는데, 부품 점진적 열화로 인해 광자 동시계수율이 낮아지는 문제가 아직 해결되지 않았다. 연구 결과는 arXiv 프리프린트 서버에 등재됐으며, 논문 제1저자는 시몬 슈타이너다.