미시간대 주도 QuPID, NSF 가상양자연구소 2단계 진출…400만 달러 확보

사업 구조와 선정 배경

NSF가 추진하는 NQVL 경쟁은 단계별 심사 구조로 운영된다. QuPID는 9개 2단계 선정 과제 중 하나로, 2년간의 설계 단계를 거쳐 2028년 핵심 성능 기준을 충족할 경우 5년간 5,000만 달러 규모의 3단계 구현 과제 경쟁에 참가할 자격이 주어진다. 즉 현 단계는 최종 현장용 양자 칩의 시제품 제작 및 양산으로 이어지는 경쟁의 중간 관문에 해당한다.

핵심 기술: ScAlN 기반 초광대역 Q-PIC

QuPID의 기술적 차별점은 1단계 연구에서 새롭게 발견한 반도체 소재인 스칸듐알루미늄질화물(ScAlN)의 활용이다. 이 강유전체-3족 질화물 계열 소재는 기존 실리콘 기반 마이크로전자 공정과 직접 통합이 가능하면서도 기존 양자 기판보다 우수한 특성을 보인다. 연구팀은 이 소재를 바탕으로 적외선 이하부터 심자외선에 이르는 초광대역 스펙트럼을 처리할 수 있는 양자 광자 집적회로(Q-PIC)를 개발 중이다.

온칩 압착광(squeezed light) 성능도 핵심 지표 중 하나다. 현재 3 dB 수준인 잡음 저감 성능을 2단계에서 5 dB까지 개선하고, 장기 운용 목표치는 15 dB로 설정하고 있다.

두 가지 응용 목표: 양자 항법과 아토초 카메라

연구팀이 설정한 주요 적용 분야는 두 가지다. 첫째는 GPS 신호를 사용할 수 없는 심우주·달 탐사·수중 환경을 위한 소형 양자 관성 항법 시스템이다. 둘째는 마이크로전자 공정과 분자 화학 반응을 아토초(10⁻¹⁸초) 단위 정밀도로 분석하는 양자 카메라다. 두 응용 모두 현재는 대형 광학 테이블과 특수 장비가 필요하지만, 이를 연결 가능한 모듈형 칩 부품으로 소형화하는 것이 사업의 핵심 방향이다.

컨소시엄 구성과 참여 기관

학계에서는 2023년 노벨 물리학상 수상자 피에르 아고스티니가 소속된 오하이오주립대 광학과학연구소(IOS)가 아토초 계측 분야에서 핵심 역할을 맡고 있으며, 루이 디마우로, 알렉산드라 랜즈먼, 마이클 치니 교수가 함께 참여한다. Stanford, Harvard, Purdue도 학문적 파트너로 이름을 올렸다. 산업 측에서는 Honeywell, General Motors, Toyota, TOPTICA Photonics, Raytheon이 제조 현실성 검토를 담당하고, 미 공군연구소(AFRL)와 NASA가 운용 추적을 지원한다. 국방·항공우주 수요와 연계된 폭넓은 파트너 구성은 향후 3단계 상용화 단계에서의 기술 이전 가능성을 시사한다.

의미와 한계

본 과제는 양자 센싱 및 항법 기술의 현장 투입 가능성을 구체적 칩 설계로 구현하려는 시도라는 점에서 주목할 만하다. 다만 현 단계는 어디까지나 설계 검증 단계이며, 2028년 성능 기준 충족 여부에 따라 사업의 존속이 결정된다. ScAlN 소재의 대량 공정 적합성, 15 dB 압착광 목표 달성 가능성 등 기술적 불확실성은 여전히 남아 있다.