광자 기반 양자컴퓨팅부터 양자통신·센싱까지…KIST 임향택 박사, “기초과학 없이 양자 산업도 없다”

양자 기술이 처음부터 산업을 목표로 움직였던 건 아니다. 지금은 양자컴퓨터와 양자통신이 국가 전략 기술로 불리지만, 불과 10여 년 전만 해도 국내에서 양자를 연구하는 사람들은 서로 이름을 대부분 알고 있을 정도로 작은 분야였다. 연구자들끼리 워크숍을 열어도 학생들까지 포함해 수십 명 남짓이 전부였고, 양자컴퓨터라는 단어 역시 일부 연구실 안에서나 조용히 오가던 시기였다.

임향택 박사는 바로 그 시절부터 양자광학과 광 기반 양자정보 연구를 이어온 연구자다. 산업과 시장의 흐름보다 먼저 연구실 안에서 양자 얽힘과 광자를 다뤄왔고, 지금은 KIST에서 광자 기반 양자기술 연구를 수행하며 양자 산업의 현실적인 방향까지 고민하고 있다. 오랜 시간 연구 현장 안에 있었던 그는 지금의 양자 열풍을 비교적 차분한 시선으로 바라보고 있었다.

양자 붐 이전의 연구자들...

양자컴퓨터가 대중적으로 언급되기 훨씬 전부터 임향택 박사는 이미 양자 분야 안에 있었다. 포항공대 물리학과에서 학부와 대학원 과정을 거치며 자연스럽게 양자광학과 광 기반 양자정보 연구를 시작했고, 지금까지 그 흐름 안에서 연구를 이어오고 있다.

“제가 대학원을 시작했던 게 2008년 정도였는데, 그 당시만 해도 지금처럼 양자컴퓨터를 진지하게 이야기하던 분위기는 아니었습니다. 그냥 물리학 안에 여러 연구 분야 중 하나였어요.”

당시 물리학과 안에는 고체물리, 입자물리, 생물물리처럼 다양한 세부 분야가 존재했고, 양자정보 역시 그중 하나에 가까웠다. 지금처럼 국가 전략 기술이나 미래 산업이라는 거대한 이름으로 불리기 전이었다.

그가 선택한 분야는 양자광학이었다. 산업적 가능성이나 시장보다 먼저, 광학 자체에 대한 흥미가 출발점이었다. “그때는 특별히 양자컴퓨터를 해야겠다는 생각보다는 그냥 광학을 하고 싶었고, 우연히 하게 된 연구 주제들이 양자 얽힘 같은 분야였던 거죠.”

당시 국내 양자 연구 환경은 지금과 비교하기 어려울 정도로 작았다. 연구자들끼리 서로 대부분 얼굴과 이름을 알고 지낼 정도였고, 관련 학회나 워크숍 역시 작은 규모로 운영됐다. “국내에서 양자정보 하는 사람들이 모여서 워크숍을 해도 학생들까지 다 합쳐서 한 20~30명 정도였어요. 지금처럼 큰 행사 개념이 아니라 정말 연구자들끼리 모이는 분위기였죠.”

양자컴퓨터라는 단어 역시 지금처럼 대중적으로 소비되지 않았다. “그때만 해도 양자컴퓨터라는 말을 사람들이 들어봤다고 해도, 그냥 어쩌다가 한 번 들어본 정도였을 겁니다.” 그 시절 연구는 지금과 달리 산업과 거리가 있었다. 연구자들은 양자 얽힘과 양자 상태 같은 근본적인 물리 현상 자체를 이해하는 데 더 큰 관심을 두고 있었다. “그때는 이게 정말 우리끼리 관심 있어서 하는 연구라는 느낌이 강했습니다. 뭔가 산업이나 시장을 보고 움직인다는 분위기와는 굉장히 거리가 있었죠.”

하지만 지금은 분위기가 완전히 달라졌다. 일반 뉴스에서도 양자컴퓨터 이야기가 나오고, 기업과 정부 모두 양자를 전략 기술로 이야기하는 시대가 됐다. “예전에는 양자 연구한다고 하면 굉장히 생소하게 봤거든요. 그런데 지금은 분위기 자체가 완전히 달라진 거죠.”

산업화가 시작되며 바뀐 연구 환경

2010년대 중반을 지나면서 양자 분야 전체의 공기가 달라지기 시작했다. 오랫동안 학문 중심으로 움직이던 양자 연구가 산업과 연결되기 시작했고, 해외에서는 실제로 양자컴퓨터를 만들겠다는 움직임이 본격적으로 나타났다. “예전에는 양자컴퓨터라는 게 굉장히 먼 미래 이야기처럼 느껴졌다면, 그때부터는 진짜로 이걸 구현하려는 움직임들이 나오기 시작했죠.”

IBM과 구글이 초전도 기반 양자컴퓨터 개발 경쟁에 뛰어들었고, 아이온큐 같은 이온트랩 기반 기업들도 빠르게 성장하기 시작했다. 이후 광자 기반 기업인 사이컨텀(PsiQuantum)과 자나두(Xanadu), 중성원자 기반 기업들까지 등장하면서 플랫폼 경쟁은 훨씬 복잡해졌다. 무엇보다 달라진 건 실제 산업 플레이어가 등장했다는 점이었다. “예전에는 그냥 언젠가 양자컴퓨터가 나오면 응용될 수도 있겠다 정도였다면, 지금은 실제로 회사를 만들고 플랫폼 경쟁을 하는 시대가 된 거죠.”

연구 방향 역시 자연스럽게 달라졌다. 과거에는 양자 상태 자체를 이해하는 데 초점이 맞춰져 있었다면, 이제는 실제 구현 가능성과 확장 가능성이 더 중요해졌다. “예전에는 굉장히 순수 학문적인 접근이 강했다면, 지금은 실제로 양자컴퓨터를 만들겠다는 회사들이 생기고 국가 차원에서도 전략 기술로 보기 시작하면서 연구자들도 응용이나 확장 가능성을 더 많이 고민하게 되는 것 같습니다.”

한국 역시 조금씩 이 흐름 안으로 들어오기 시작했다. 다만 미국이나 유럽과 비교하면 산업화 움직임은 상대적으로 늦게 시작된 편이다. “최근에는 정부 과제도 굉장히 커지고 있고, 기업들도 관심을 가지기 시작하면서 분위기가 많이 달라졌죠.” 연구비 구조 역시 달라졌다. 과거에는 연구자 개인이 자유롭게 제안하는 형태의 연구가 많았다면, 최근에는 국가 차원에서 목표를 정해놓고 움직이는 대형 과제들이 늘어나고 있다. “국가 전략 기술로 가다 보니까 예전처럼 완전히 자유로운 탐구 중심이라기보다는 실제 기술 구현이나 산업 연결을 의식하는 방향으로 많이 움직이고 있는 것 같습니다.”

출연연이 맡아야 하는 역할은

임 박사는 현재 KIST에서 연구를 이어가고 있다. 대학 중심 연구 환경과 출연연의 가장 큰 차이는 연구 구조 자체에 있다고 설명했다. “학교에서는 보통 교수님 한 분이 양자 분야를 하시는 경우가 많습니다. 그런데 여기서는 다양한 백그라운드를 가진 연구자들이 한 팀 안에서 같이 연구를 하고 있거든요.” 현재 그가 속한 조직에는 20명 이상의 연구자들이 함께 양자기술을 연구하고 있다. 양자컴퓨팅, 양자광학, 양자소자 등 세부 전공은 서로 다르지만, 결국 하나의 기술을 함께 만들어가는 구조다.

출연연은 대학과 기업 사이를 연결하는 중간 단계에 가깝다. 대학에서 나오는 원천 연구와 실제 산업 현장 사이에는 생각보다 큰 간극이 존재하고, 출연연은 그 사이를 메우는 역할을 한다. “학교에서는 굉장히 좋은 아이디어나 원천 연구가 많이 나옵니다. 그런데 그걸 바로 기업이 가져가서 제품화하기에는 중간에 비어 있는 영역들이 있어요.”

특히 양자기술은 하나의 기술만으로 완성되는 시스템이 아니다. 수많은 요소기술이 함께 움직여야 하기 때문에, 학교 연구실 하나만으로는 한계가 존재한다. “양자컴퓨터 같은 경우에는 필요한 요소기술이 굉장히 많습니다. 그런데 학교 연구실 하나에서 그걸 다 하기에는 현실적으로 한계가 있거든요.”

반대로 기업 입장에서도 아직은 쉽게 뛰어들기 어려운 영역이다. 어떤 플랫폼이 살아남을지조차 명확하게 정리되지 않은 상태이기 때문이다. “아직은 기업들이 본격적으로 산업화를 하기에는 불확실성이 큰 분야이기도 합니다.” 그래서 그는 출연연이 먼저 기술 가능성을 검증하고, 산업이 들어올 수 있는 기반을 만드는 역할이 중요하다고 본다. “출연연이 어느 정도 기술 가능성을 먼저 보여주고 실제 구현 가능한 수준까지 끌어올리면, 이후에는 기업들이 들어와서 산업화할 수 있는 구조가 만들어질 수 있다고 봅니다.”

“광자는 컴퓨팅·통신·센싱을 모두 할 수 있습니다”

현재 글로벌 양자컴퓨터 시장은 초전도, 이온트랩, 중성원자, 광자 등 다양한 플랫폼이 경쟁하고 있다. 그 가운데 임 박사가 연구하고 있는 분야는 광자 기반 양자컴퓨팅이다. 광자 플랫폼은 다른 방식들과 구조 자체가 조금 다르다. “초전도나 이온트랩은 물질 기반이라 실체가 명확하게 존재하지만, 광자는 계속 움직이고 있거든요. 측정하면 사라지고, 또 계속 만들어내면서 연산을 해야 합니다.” 광자는 끊임없이 이동하는 특성을 갖고 있기 때문에 접근 방식 역시 다르다. 그래서 광자 기반 양자컴퓨팅은 일반적인 큐비트 기반 구조와는 다른 형태로 발전해왔다. “우리는 보통 측정기반 양자컴퓨팅이라고 부릅니다.”

하지만 광자 플랫폼은 다른 방식들과 구별되는 장점 역시 갖고 있다. 무엇보다 컴퓨팅뿐 아니라 통신과 센싱까지 함께 연결될 수 있다는 점이다. “광자는 컴퓨팅·통신·센싱을 모두 할 수 있는 거의 유일한 플랫폼이라고 볼 수 있습니다.” 양자통신 분야에서는 사실상 광자가 필수적이다. “양자통신은 결국 정보를 멀리 보내야 하니까 반드시 빛을 써야 합니다. 인터넷도 결국 광통신 기반이잖아요.” 센싱 분야에서도 광자의 역할은 크다. 최근 중력파 검출이나 초정밀 측정 분야에서도 양자광을 활용한 연구가 빠르게 늘어나고 있다.

특히 광자 기반 시스템의 현실적인 장점 가운데 하나는 상온 동작이다. “초전도 같은 플랫폼은 극저온 환경이 필요하지만, 광자는 상온에서도 동작할 수 있다는 장점이 있습니다.”

최근에는 포토닉스 기술 발전 속도 역시 빨라지고 있다. 과거에는 광학 테이블 위에 여러 장비를 길게 배치해 실험하던 구조였다면, 이제는 그 기능들을 작은 칩 안으로 집적하는 방향으로 빠르게 움직이고 있다. “예전에는 광학 테이블 위에서 미터 단위로 실험하던 것들을 지금은 작은 칩 안에 집적할 수 있게 되고 있습니다.” 이 변화는 산업화 측면에서도 중요한 의미를 가진다. 칩 기반 구조가 가능해질수록 모듈화와 대량 생산 가능성이 높아지고, 결국 시스템 규모를 키우는 데도 유리해질 수 있기 때문이다.

중국의 추격과 한국의 현실

임 박사는 현재 양자기술 분야에서 가장 빠르게 성장하고 있는 국가로 중국을 꼽았다. 미국이 전체 기술 생태계를 주도하고 있는 건 맞지만, 최근 몇 년 사이 중국의 성장 속도는 연구 현장에서도 체감될 정도라는 설명이었다. “양자 분야는 오히려 미국보다 중국이 더 잘하는 부분도 많다고 느껴질 정도예요.” 최근 국제 학술지 흐름에서도 변화는 뚜렷하게 나타난다. “네이처나 사이언스 같은 저널에서도 중국 양자 논문 비중이 굉장히 커졌고, 실제로 연구 수준 자체도 상당히 올라왔습니다.”

그 배경에는 압도적인 투자 규모와 인력 구조가 있다. 중국은 양자를 국가 전략기술로 지정한 상태에서 장기적인 투자 구조를 만들고 있고, 세계 각지에 있던 중국 출신 과학자들까지 다시 불러들이고 있다. “연구비 규모 자체가 다릅니다. 연구자 숫자도 엄청나게 많고, 해외에서 활동하던 중국인 과학자들도 엄청난 조건으로 다시 데려오고 있거든요.”

반면 한국은 구조적으로 미국과 중국을 정면으로 따라가기에는 한계가 존재한다. “같은 방식으로 경쟁하면 결국 격차는 더 벌어질 가능성이 큽니다.” 그래서 그는 한국이 양자컴퓨터 전체를 모두 직접 가져가겠다는 접근보다는, 글로벌 공급망 안에서 반드시 필요한 핵심 기술과 핵심 부품을 확보하는 전략이 더 현실적이라고 본다. “인공지능(AI) 반도체도 CPU는 미국이 만들지만, 한국이 중요한 역할을 맡고 있잖아요. 양자도 비슷한 전략이 필요하다고 봅니다.”

동시에 그는 한국이 가져가야 할 또 하나의 무기로 창의성을 꼽았다. “규모나 자본으로는 이기기 어렵습니다. 대신 새로운 생각이나 새로운 접근은 누구에게나 기회가 열려 있다고 봅니다.” 그래서 학생들에게도 항상 같은 이야기를 반복한다. “남들이 하는 걸 그대로 따라가기만 하면 결국 무난하게 지는 거라고 얘기합니다. 조금 더 다른 생각을 해야 합니다.”

연구보다 오래 남는 것

연구자로서 가장 보람을 느끼는 순간으로 그는 뜻밖에도 '학생들의 성장'을 꼽았다. “좋은 논문이 나오거나 과제가 되는 것도 물론 기쁩니다. 그런데 그 기쁨은 오래 가지 않더라고요.” 오히려 시간이 지날수록 학생들의 성장이 훨씬 더 크게 기억에 남는다고 말했다. “제자들이 졸업해서 자리 잡고, 또 자기 삶을 살아가는 걸 보면 그런 부분에서 훨씬 더 보람을 느끼는 것 같습니다.”

연구라는 일은 결과보다 훨씬 긴 시간을 함께 견뎌내는 과정에 가깝다. 논문 하나가 나오기까지 수년이 걸리는 경우도 많고, 실패가 반복되는 시간 역시 길다. “사실 연구라는 게 잘 안 되는 시간이 훨씬 많거든요. 그러다 보니까 결국 사람끼리 서로 버텨주고 같이 가는 부분이 굉장히 중요합니다.”

그래서 그는 학생들에게 연구 실력만큼이나 관계를 잘 유지하는 태도를 강조한다. “혼자 하는 연구가 거의 없기 때문에 결국은 같이 일하고 싶은 사람이 되는 게 중요합니다.” 학생 시절에는 서로 경쟁자로 보이기 쉽지만, 결국 사회에 나가면 모두 다시 연결된다. “학교에 있든 회사에 있든 연구소에 있든 결국 다시 만나게 됩니다.”

그는 결국 연구 역시 사람이 하는 일이라는 말을 여러 번 반복했다. “기술도 결국 사람이 이어가는 거니까요.”

“기초과학은 그냥 해야 되는 겁니다”

인터뷰 마지막에서 그는 다시 한번 기초과학의 중요성을 강조했다. “기초과학은 결과가 바로 보이지 않습니다. 노벨상도 보면 보통 30년 전에 했던 연구로 받잖아요.” 오늘날 양자컴퓨터와 양자통신 역시 수십 년 동안 축적돼온 기초 연구 위에서 가능해진 기술이다. “당시에는 이게 어디에 쓰일지도 모르는 상태에서 연구했던 부분들이 많았습니다. 그런데 결국 그런 축적들이 있었기 때문에 지금의 양자기술도 가능해진 거죠.”

그래서 그는 기초과학을 단순히 당장 결과를 만들어내는 투자 관점으로만 바라봐서는 안 된다고 말한다. “기초과학은 그냥 해야 되는 겁니다. 당장 결과가 안 나온다고 해서 의미 없는 게 아니거든요.” 특히 최근 국가 전략기술 경쟁이 심해지면서 연구자들이 지나치게 단기 성과 압박 안으로 들어가는 상황을 우려하고 있었다. “양자 같은 분야는 몇 년 안에 결과를 딱 내기 어려운 경우도 많거든요. 그런데 너무 단기적인 성과만 요구하게 되면 결국 다들 안전한 방향으로만 가게 됩니다.”

그래서 그는 정책 결정자들에게도 ‘예측 가능한 지속성’을 가장 중요한 부분으로 강조했다. “당장 엄청난 돈을 넣어달라는 게 아니라, 연구자들이 그래도 꾸준히 연구를 이어갈 수 있는 구조가 굉장히 중요하다고 생각합니다.” 양자기술은 아직 완성된 산업이 아니다. 어떤 플랫폼이 최종적으로 살아남을지조차 아직은 명확하지 않다. “아직은 정답이 나온 상태가 아닙니다. 그래서 더 다양한 시도와 기초 연구가 필요합니다.”

지금 세계는 양자 기술을 둘러싸고 거대한 경쟁에 들어가 있다. 미국과 중국은 막대한 자본과 인력을 투입하며 패권 경쟁을 이어가고 있고, 한국 역시 뒤처지지 않기 위해 빠르게 움직이고 있다. 하지만 임 박사는 그 안에서도 여전히 가장 중요한 건 ‘꾸준히 연구를 이어갈 수 있는 환경’이라고 말했다.

결국 양자 기술 역시 하루아침에 완성되는 산업은 아니다. 오랜 시간 축적된 기초 연구와 사람, 그리고 실패를 견디는 시간이 쌓여야만 비로소 현실의 기술이 된다. 임향택 박사가 지금까지 연구실 안에서 붙들어온 시간 역시, 그런 미래를 향한 긴 과정의 일부였다.

1. https://www.aitimes.kr/news/articleView.html?idxno=39973 (인공지능신문)