RFP관리번호

2025-양자-지정공모형-13

공모유형

지정 공모형

해당여부

■ 국가전략기술 □ 탄소중립 ■ 글로벌 R&D □ 미래소재 □ 전략연구사업(MVP)(예정) □ 국방전략기술(예정)

국책연구기획평가전문분야

PM분야

양자기술

RB분야

전 분야

RB세부분야

전 분야

사업명

양자정보과학 인적기반 조성사업(리더급연구역량강화 - 전략기술형)

RFP명

광집게 기반 쌍극성 분자 양자 컴퓨팅 기술 개발을 위한 국제 공동 연구

(TRL : [시작] 1단계 ~ [종료] 3단계)

RFP유형코드

사업목적·내용

성과물 특성

지원대상

보안과제 분류

일반

I

0

-

1

1. 추진배경

쌍극성 분자 기반 양자컴퓨팅 및 양자 시뮬레이션은 분자들의 회전 상태와 전기 쌍극자 모멘트를 활용하여 안정적인 긴거리 상호작용을 구현할 수 있는 차세대 양자 기술 플랫폼으로 크게 주목받고 있음

분자의 전자, 진동, 회전 상태 등 풍부한 내부 자유도를 극저온에서 정밀 제어함으로써, 양자 화학 분야까지도 혁신할 잠재력이 매우 큼

특히, 광집게에 포획된 분자 큐비트는 수 초 이상의 긴 큐비트 수명, 중성 원자 큐비트 수준의 높은 확장성, 그리고 안정적인 긴거리 상호작용을 통한 2-큐비트 연산을 구현할 수 있어, 관련 분야의 기대가 큼

최근 미국 Colombia 대학의 Will 연구팀, 영국 Durham 대학의 Cornish 연구팀, 미국 Harvard 대학의 Ni 연구팀 등의 선도 연구팀에서 쌍극성 분자의 Bose-Einstein 응축이 구현되었고, 쌍극성 분자 큐비트에 양자 정보를 초 단위로 저장할 수 있음이 관측되었으며, 쌍극성 분자 큐비트 간 얽힘을 이용한 iSWAP 연산이 구현되는 등, 분자 기반 양자 컴퓨팅 연구가 급격히 진행되고 있음

광집게 기술이 적용된 쌍극성 분자 큐비트 연구는 광집게 포획, 극저온 냉각, 광집게 합성 등 원자분자광물리 분야의 최첨단 양자 제어 기술이 집약된 진입 장벽이 높은 연구분야로, 현재 미국, 유럽, 중국 등의 연구팀들이 선도하고 있음

따라서, 국외 선도 연구팀들과의 안정적인 교류를 통해 관련 기술을 연구 개발 초기에 빠르게 국내에 확보하는 것이 필요함

2. 연구개발목표

ㅇ 최종 목표 : 쌍극성 분자 광집게 배열 기반 50-큐비트 양자컴퓨팅 플랫폼 공동 개발 및 논리/하이브리드 게이트 구현

ㅇ 단계별 목표

1단계(‘25~‘27)	10-큐비트급 극저온 쌍극성 분자 큐비트 프로세서 개발 쌍극성 분자 큐비트 구현을 위한 하드웨어 공동 설계 및 구축: 초고진공 시스템, 레이저 냉각 시스템, 광포획/제어 시스템 일괄 구성 10-site 수준의 쌍극성 분자 광집게 배열 구현: 광포획, 냉각 및 분자 합성률 개선을 통해 큐비트 생성 효율 극대화 쌍극성 분자 1-큐비트 제어 기술 개발 셔틀링 기반 분자 재배치 기술 확보: 큐비트 생성 효율 향상 및 배열 연결성 개선 1-큐비트 게이트 구현 및 벤치마킹: 마이크로파 또는 레이저 제어 기반 게이트 구현, 충실도 측정, 에러율 개선 회전 및 초미세 상태 기반 큐비트 메모리 기술 구현: 큐비트 결맞음 시간 향상
2단계(‘28~‘29)	50-큐비트급 쌍극성 분자 큐비트 프로세서 확장 50-site 수준의 쌍극성 분자 광집게 배열 구현: AOD/SLM 기반 다중 광포획 배열 생성 및 2차원 배열 확장을 통한 대면적/고밀도 큐비트 플랫폼 공동 개발 셔틀링 기술의 2차원 확장: 온-디맨드 큐비트 재배치 기술 고도화 쌍극성 분자 2-큐비트 연산 기술 개발 2-큐비트 게이트 구현 및 벤치마킹: 쌍극성 상호작용 기반 CNOT, iSWAP 등 2-큐비트 게이트 구현, 충실도 측정, 에러율 개선 쌍극성 분자-리드버그 원자 하이브리드 배열 기반 쌍극성 분자 큐비트 제어 기법 공동 개발

3. 연구개발내용 및 성과목표

□ 연구 개발 내용

ㅇ 확장 가능한 쌍극성 분자 큐비트 양자 프로세서 개발

ㅇ 쌍극성 분자 큐비트 일- 및 2-큐비트 게이트 구현 및 온-디멘드 얽힘 생성 기술 개발

ㅇ 고충실도 게이트 연산 실현 및 병렬 연산 성능 검증을 통한 중규모 양자 플랫폼 기반 마련

□ 성과 목표

1단계(‘25~‘27)	10-큐비트급 극저온 쌍극성 분자 큐비트 프로세서 개발 1단계 기간 중 국내에 쌍극성 분자 큐비트 플랫폼 구축 10-site 이상의 쌍극성 분자 큐비트 배열 구현 (현재 기술 수준: 8-site) 단일 분자 큐비트 생성 효율 ≥30% (현재 기술 수준: ~20%) 쌍극성 분자 1-큐비트 제어 기술 개발 1-큐비트 상태 제어 충실도 ≥95%, SPAM-corrected (현재 기술 수준: ~90%, SPAM-corrected) 회전 상태 큐비트 결맞음 시간 ≥65 ms, 단일 에코 기준 (현재 기술 수준: ~62 ms, 단일 에코 기준)
2단계(‘28~‘29)	50-큐비트급 쌍극성 분자 큐비트 프로세서 확장 50-site 이상의 쌍극성 분자 큐비트 배열 구현 (현재 기술 수준: 8-site 이하) 쌍극성 분자 2-큐비트 연산 기술 개발 2-큐비트 벨 상태 충실도 ≥95%, SPAM-corrected (현재 기술 수준: ~94%, SPAM-corrected)

ㅇ 각 단계당 양국 PI들이 공동저자인 논문 최소 2편 이상 또는 특허 출원 2건 이상

□ 기대 성과

ㅇ 확장 가능한 극저온 쌍극성 분자 큐비트 기반 양자 프로세서 실증 기반 확보

ㅇ 국제 공동 연구를 통한 극저온 쌍극성 분자 큐비트 핵심 요소 기술 내재화 및 고급 양자 인력 양성

ㅇ 향후 중규모 NISQ 응용 및 fault-tolerant 아키텍쳐 확장을 위한 기반 마련

4. 지원기간/예산/추진체계

ㅇ 기간: 2025.07.01. ~ 2029.12.31.(3+2)

ㅇ 정부지원연구개발비: 4,501,000천원 (2025년 501,000천원, 2026-2029년: 1,000,000천원/년)

ㅇ 과제형태: (일반)연구개발과제

ㅇ 주관연구개발기관: 대학/출연(연)/기업부설연구소

※ 세계적 수준의 양자 연구기관과 국제공동연구단 구성 필수

ㅇ 기술료 징수여부: 징수

5. 특기사항

ㅇ 본 과제는 연구개발목표 및 연구개발내용에 대하여 국제적으로 연구수준이 높은 해외연구팀(추진배경 참조)과 협력하여 진행하여야 함

- 국내 연구팀은 산학연 컨소시엄을 구성하여 참여할 수 있음

- 원활한 국제 협력 연구 진행을 위한 공동 워크샵 운영 (최소 1년에 1회 이상)

ㅇ 실제 제출하는 과제명은 연구자의 아이디어가 포함될 수 있는 제목으로 연구계획서를 제출해야 함

ㅇ 사업 및 과제의 성과 고도화를 위해 전체 연구기간과 동일한 기간의 동일주제의 위탁과제 금지

- 위탁과제는 특수한 전문지식 또는 기술이 필요한 부분으로 한정하여 운영(시작품 제작, 시험평가 등은 연구용역으로 추진)

ㅇ 과제개시일 이전에 제출된 논문/특허 등의 성과는 해당과제의 성과로 인정되지 않음

ㅇ 과제 종료된 해의 다음 해부터 5년 동안은 과제 종료 후 발생한 논문, 특허, 기술이전 등의 성과 정보를 국가연구개발사업 통합정보시스템에 등록 하여야 함

ㅇ 기존 기술 및 기존 과제와의 차별성을 구체적으로 제시할 것

ㅇ 단계평가를 통해 계속지원여부(과제중단)를 판단하며, 매년 정부 예산 사정에 따라 연구비가 변동될 수 있음

ㅇ 과제계획서 제출 시 단계별 개발 계획 및 실행 계획을 구체적으로 제시해야 함

ㅇ 단계/최종평가 시 연구목표의 달성도를 중심으로 평가진행 예정

- 단계/최종평가는 발표평가를 원칙으로 하며, 필요시 재단 소관 PM이 평가에 참여할 수 있음

ㅇ 국책연구는 개인연구가 아닌 집단 및 융합연구를 지향하며, 최고의 가치를 추구함

RFP관리번호

2025-양자-지정공모형-14

공모유형

지정 공모형

해당여부

■ 국가전략기술 □ 탄소중립 ■ 글로벌 R&D □ 미래소재 □ 전략연구사업(MVP)(예정) □ 국방전략기술(예정)

국책연구기획평가전문분야

PM분야

양자기술

RB분야

전 분야

RB세부분야

전 분야

사업명

양자정보과학 인적기반 조성사업(리더급연구역량강화 - 전략기술형)

RFP명

희토류 중성원자 양자컴퓨팅 기술 고도화를 위한 국제 공동 연구

(TRL : [시작] 1단계 ~ [종료] 3단계)

RFP유형코드

사업목적·내용

성과물 특성

지원대상

보안과제 분류

일반

I

0

-

1

1. 추진배경

□ 중성 원자 시스템은 크게 진공 시스템과 광학 시스템으로 구성되므로 극저온 환경을 필요로 하는 초전도 기반의 양자컴퓨팅 기술 대비 인프라 측면에서 기술적 진입 장벽이 상대적으로 낮은 장점이 있으며, 광학적 파장을 이용하므로 양자 노드를 연결하는 양자 인터넷이나 양자통신 시스템과의 호환성도 뛰어남.

□ 최근 중성원자 분야의 차세대 양자컴퓨팅 플랫폼으로서 희토류(Ytterbium, Strontium 등) 원자가 높은 관심을 받고 있음. 희토류 원자를 이용한 광집게 배열 기법은 개별 원자를 제어할 수 있는 바텀업(bottom-up) 방식으로, 특히 매직 파장, 시계 전이선 등의 장점으로 높은 정확도와 긴 결맞음 시간, 낮은 오류의 양자컴퓨팅이 가능할 것으로 기대됨.

□ 국내에는 중성원자 광집게 상태 제어 연구를 주로 수행하며, 소규모 희토류 양자 플랫폼을 보유한 연구 그룹이 있으나, 리드버그 원자 양자 얽힘은 아직 구현되지 않음.

□ 국외(특히 미국)에는 최근 5년 동안 희토류 실험 그룹이 지속적으로 증가하고 있으며, 양자컴퓨팅 기반 기술이 활발히 연구되고 있음. 프린스턴 대학 Jeff Thompson 연구팀은 이터븀 원자 기반 양자컴퓨팅 연구를 가장 오랜 기간 수행하여 원자 냉각부터 리드버그 상태 전이까지 모든 기반 기술을 보유하고 있으며, 손실 큐비트를 보충하는 기술과 킬로헤르츠급 로딩기술을 개발하고 있음.

□ 스트론듐 기반의 중성 원자 양자 컴퓨팅 연구는 Caltech의 Manuel Endres 연구팀, JILA(콜로라도 대학교)의 Adam Kaufman 연구팀에서 활발하게 수행되고 있으며, 스탠포드 대학교의 최준희 연구팀은 중성원자 기반의 양자컴퓨터 연구를 활발하게 수행하고 있음.

□ 그 외 Max-Planck-Institute of Quantum Optics에서 출발한 스타트업인 MPQ에서 스트론튬 중성원자 양자컴퓨팅 기술을 개발 중이며, 스타트업 Atom Computing은 이터븀 중성원자 양자컴퓨팅 기술을 개발 중.

□ 국내 기 보유한 광집게 원자 상태 제어 기술을 기반으로 이터븀 리드버그 상태 상호작용 제어 기술 및 이론 계산 인프라를 확보하고자 함

□ 논리 큐비트 구현 및 양자 오류정정을 위해 대규모로 확장 가능한 원자 큐빗 광집게 포획 기술이 필요함. 높은 정확도의 양자 얽힘 구현을 위해 리드버그 상태 제어가 필수적이나, 희토류 리드버그 원자의 물리적 성질은 현재까지 제한적으로 연구됨. 따라서 국제 협력 연구를 통해 국내 희토류 중성원자 기술 경쟁력을 빠르게 높이고자 함.

2. 연구개발목표

ㅇ 최종 목표 : 디지털-아날로그 양자 컴퓨팅에 용이한 희토류 (이터븀, 스트론튬 등)을 이용한 리드버그 원자 양자컴퓨팅 핵심 원천 기술 개발

ㅇ 단계별 목표

1단계(‘25~‘27)	∙ 중규모 이상의 희토류 원자 큐빗 광집게 포획 장치 개발 - 중규모를 위한 희토류 원자의 냉각 포획 장치 개발 - 희토류 리드버그 원자의 광집게 포획 상태 안정화 장치 설계 및 제작 - 희토류 리드버그 원자 상태의 광집게 포획 배열화(10×10 이상의 규모를 고려한) 장치 설계 및 제작 - 희토류 리드버그 상태 분광 실험 및 단일 큐비트 상태 모니터링 장치 설계 및 제작 - 손실 사이트 식별 및 선택적 광집게 장치 설계 및 제작 ∙ 희토류 리드버그 원자 양자 제어 장치 개발 - 고 정확도 양자 게이트를 위한 희토류 리드버그 원자 상호작용 채널 탐색을 위한 모델링 수립 - 희토류 리드버그 상태의 양자 게이트(controlled-Z gate) 신뢰도(Fidelity, 충실도) 평가 실험 장치 설계 및 제작
2단계(‘28~‘29)	∙ 중규모 이상의 희토류 원자 큐빗 광집게 포획 장치 개발 - 희토류 리드버그 원자의 포획 수명(50us 이상) 및 결맞음 시간(T2 10us 이상) 확보 - 희토류 리드버그 상태 분광 실험 및 단일 큐비트 상태 고속(10 us이내) 모니터링 기술 확보 - 실시간 손실 큐비트를 보충하는 광집게 상태 제어 장치 개발 - 단일 사이트의 큐비트 보충 속도(5 ms이내) 확보 - 희토류 리드버그 원자 상태의 광집게 포획 배열화(10×10 이상의) 기술 확보 ∙ 희토류 리드버그 원자 양자 제어 장치 개발 - 2 큐비트 양자 게이트 신뢰도(Fidelity) 0.99 이상 확보

3. 연구개발내용 및 성과목표

□ 연구 개발 내용

1단계(‘25~‘27)	∙ 중규모 이상의 희토류 원자 큐빗 광집게 포획 기술 - 희토류 원자의 냉각 포획 기술 연구 - 희토류 리드버그 원자의 광집게 포획 상태를 안정적으로 유지하는 기술 연구 - 희토류 리드버그 원자 상태의 광집게 포획 배열화 연구 - 희토류 리드버그 상태 분광 실험 및 단일 큐비트 상태 모니터링 연구 - 광집게 배열의 포획 효율 증대 연구 - 손실 사이트 식별 및 선택적 광집게 기술 개발 ∙ 희토류 리드버그 원자 양자 제어 기술 개발 - 고 정확도 양자 게이트를 위한 희토류 리드버그 원자 상호작용 채널 탐색을 위한 이론 연구 - 희토류 리드버그 상태의 양자 게이트(controlled-Z gate) 신뢰도(Fidelity, 충실도) 평가 실험 기법 연구
2단계(‘28~‘29)	∙ 중규모 이상의 희토류 원자 큐빗 광집게 포획 기술 - 희토류 리드버그 원자의 포획 수명(50us 이상) 및 결맞음 시간(T2 10us 이상) 증대 연구 - 희토류 리드버그 상태 분광 실험 및 단일 큐비트 상태 고속 모니터링 연구 - 주어진 파워의 광집게 레이저로 최대한 많은 수의 큐빗을 확보하기 위한 광집게 상태 제어 연구 - 실시간 손실 큐비트를 보충하는 광집게 상태 제어 연구 - 단일 사이트의 큐비트 보충 속도 연구 ∙ 희토류 리드버그 원자 양자 제어 기술 개발 - 2 큐비트 양자 게이트(controlled-Z gate) 고 신뢰도(Fidelity) 확보

□ 성과 목표

1단계(‘25~‘27)	- 희토류 리드버그 원자의 포획 수명 10us 이상 구현 - 희토류 리드버그 원자의 결맞음 시간(T2) 2us 이상 구현 - 희토류 리드버그 원자 상태의 광집게 배열 사이트 개수 25 개 이상 확보 - 단일 사이트의 큐비트 보충 속도 20 ms이내 구현
2단계(‘28~‘29)	- 희토류 리드버그 원자의 포획 수명 50us 이상 구현 - 희토류 리드버그 원자의 결맞음 시간(T2) 10us 이상 구현 - 희토류 리드버그 원자 상태의 광집게 배열 사이트 개수 144 개 이상 구현 - 단일 사이트의 큐비트 보충 속도 5 ms이내 구현 2-큐비트 양자게이트(controlled- Z gate) 신뢰도(Fidelity) 0.99 이상 구현

ㅇ 각 단계당 양국 PI들이 공동저자인 논문 최소 2편 이상 또는 특허 출원 2건 이상

□ 기대 성과

- 희토류 기반 중성원자 양자컴퓨팅 기술 경쟁력 조기 확보

- 10,000개급 중성원자 큐비트 플랫폼 구축을 위한 발판 마련

- 고 정확도 (0.999) 2Q 양자게이트 구동 기술 확보를 위한 발판 마련

- 루비듐(1세대)에 이어 2세대 원자계(희토류) 중성원자 양자 컴퓨팅 분야에서 연구 경쟁력 유지

4. 지원기간/예산/추진체계

ㅇ 기간: 2025.07.01. ~ 2029.12.31.(3+2)

ㅇ 정부지원연구개발비: 4,501,000천원 (2025년 501,000천원, 2026-2029년: 1,000,000천원/년)

ㅇ 과제형태: (일반)연구개발과제

ㅇ 주관연구개발기관: 대학/출연(연)/기업부설연구소

※ 세계적 수준의 양자 연구기관과 국제공동연구단 구성 필수

ㅇ 기술료 징수여부: 징수

5. 특기사항

ㅇ 본 과제는 연구개발목표 및 연구개발내용에 대하여 국제적으로 연구수준이 높은 해외연구팀(추진배경 참조)과 협력하여 진행하여야 함

- 국내 연구팀은 산학연 컨소시엄을 구성하여 참여할 수 있음

- 원활한 국제 협력 연구 진행을 위한 공동 워크샵 운영 (최소 1년에 1회 이상)

ㅇ 실제 제출하는 과제명은 연구자의 아이디어가 포함될 수 있는 제목으로 연구계획서를 제출해야 함

ㅇ 사업 및 과제의 성과 고도화를 위해 전체 연구기간과 동일한 기간의 동일주제의 위탁과제 금지

- 위탁과제는 특수한 전문지식 또는 기술이 필요한 부분으로 한정하여 운영(시작품 제작, 시험평가 등은 연구용역으로 추진)

ㅇ 과제개시일 이전에 제출된 논문/특허 등의 성과는 해당과제의 성과로 인정되지 않음

ㅇ 과제 종료된 해의 다음 해부터 5년 동안은 과제 종료 후 발생한 논문, 특허, 기술이전 등의 성과 정보를 국가연구개발사업 통합정보시스템에 등록 하여야 함

ㅇ 기존 기술 및 기존 과제와의 차별성을 구체적으로 제시할 것

ㅇ 단계평가를 통해 계속지원여부(과제중단)를 판단하며, 매년 정부 예산 사정에 따라 연구비가 변동될 수 있음

ㅇ 과제계획서 제출 시 단계별 개발 계획 및 실행 계획을 구체적으로 제시해야 함

ㅇ 단계/최종평가 시 연구목표의 달성도를 중심으로 평가진행 예정

- 단계/최종평가는 발표평가를 원칙으로 하며, 필요시 재단 소관 PM이 평가에 참여할 수 있음

ㅇ 국책연구는 개인연구가 아닌 집단 및 융합연구를 지향하며, 최고의 가치를 추구함

RFP관리번호

2025-양자-지정공모형-15

공모유형

지정 공모형

해당여부

■ 국가전략기술 □ 탄소중립 ■ 글로벌 R&D □ 미래소재 □ 전략연구사업(MVP)(예정) □ 국방전략기술(예정)

국책연구기획평가전문분야

PM분야

양자기술

RB분야

전 분야

RB세부분야

전 분야

사업명

양자정보과학 인적기반 조성사업(리더급연구역량강화 - 전략기술형)

RFP명

고체 점결함기반 양자 센싱용 하이브리드 소자 개발을 위한 국제 공동 연구

(TRL : [시작] 1단계 ~ [종료] 3단계)

RFP유형코드

사업목적·내용

성과물 특성

지원대상

보안과제 분류

일반

I

0

-

1

1. 추진배경

□ 다이아몬드 기반 고체 점결함은 양자컴퓨팅, 양자통신, 양자센서 등 다양한 양자기술 분야에 응용 가능한 플랫폼

ㅇ 네덜란드 QuTech의 Taminiau교수팀은 다이아몬드 NV를 이용해 two-qubit gate fidelity를 99.9% 이상을 달성하는 연구 결과를 2025년 Phys. Rev. Appl.에 발표

ㅇ 독일 TUM 대학교의 Bucher 교수팀은 다이아몬드 NV를 이용해 마이크로미터 수준의 공간분해능을 갖는 다이아몬드 자기공명 현미경 연구 결과를 Nature Comm.에 2025년 발표

ㅇ 미국 MIT Englund 교수팀과 영국 Cambridge Atature 교수팀은 다이아몬드 내부 SnV결함이 양자네트워크에 활용이 가능함을 2023년 Nature Photonics에 보여, 최근에도 여전히 다이아몬드 관련 연구가 다양한 분야에서 활발히 진행되는 것을 확인할 수 있음

□ 다이아몬드 성장 및 불순물 제어와 관련한 국내 기술은, 선도국 대비 부족한 실정

ㅇ 다이아몬드를 양자컴퓨팅, 양자통신, 또는 양자센싱에 활용하기 위해서는 목적에 따라 내부 점결함의 농도, 스핀 불순물, 및 원자핵의 종류 등 다양한 사항을 고려해야 함

ㅇ 큐비트 결맞음 시간에 영향을 주는 13C의 농도를 줄이거나, 초미세결합영향을 조절하기 위해 14,15N 핵스핀의 종류를 선택하는 등, 다양한 불순물 제어 기술이 미국/일본/독일 등 기술 선도국에서는 활발히 연구되고 있음

ㅇ 뿐만 아니라, 큐비트 결맞음 시간을 최적화 하기위해 불순물의 분포를 기존 3차원에서 2차원으로 변경하는 델타도핑과 같은 불순물 도핑 방법 등의 연구도 진행 중

ㅇ 하지만 다이아몬드 성장 관련 국내 연구 수준은 앞서 언급한 소재를 성장하기에는 부족함

ㅇ 다이아몬드 성장 관련 미국, 일본 선도그룹(시카고 대학 Awschalom 교수, 아르곤 국립연구소 Heremans 박사팀, NIMS Takano 교수팀, 도쿄공대 Arai 교수팀 등)과 협력 연구를 통해 고성능 다이아몬드 기판 성장에 관한 노하우 전수 및 다이아몬드 점결함 관련 협력 연구를 수행함으로, 세계적 수준의 다이아몬드 양자센서를 개발하고자 함

2. 연구개발목표

ㅇ 최종목표

- 고성능 큐비트 구현이 가능한 다이아몬드 기판 성장 기술 개발

- 극한 환경(온도 또는 고압 등)에서의 다이아몬드 특성 연구 및 활용이 가능한 초소형/저전력 하이브리드(Boron-doped-diamond on diamond) 소자 개발 및 성능 검증

ㅇ 단계별 목표

1단계 (‘25~‘27)	<다이아몬드 기판 성장 기술 개발> - 고순도 다이아몬드 기판 성장 기술 확보 - 결맞음 시간을 연장시킬 수 있는 도핑 방법 및 구조 탐색 및 구현 <하이브리드 소자 개발 및 성능 검증> - 극한 환경(온도 또는 고압 등)에서의 다이아몬드 특성 확인 - 다양한 환경에서 사용 가능한 하이브리드 소자 개발: BDD (Boron-doped-diamond) on diamond - NV다이아몬드 공명주파수에서 사용 가능한 도핑 농도 탐색 - Ω형태 도파로 제작 및 Rabi 진동 구현
2단계 (‘28~‘29)	<다이아몬드 기판 성장 기술 개발> - 탄소 핵스핀 농도 조절을 통한 고순도 다이아몬드 성장 기술 확보 - 다양한 질소 핵종을 및 농도를 갖는 delta-doping 기술 확보 및 구현 <하이브리드 소자 개발 및 성능 검증> - BDD를 이용한 극한 환경(온도 또는 압력)에서의 양자센싱 실증 - BDD이외 하이브리드 다이아몬드 소자 탐색

3. 연구개발내용 및 성과목표

ㅇ 연구 개발 내용

- 큐비트의 결맞음 시간을 최적화시킬 수 있는 고품질 다이아몬드 기판 성장 및 도핑 기술

- 극한 환경에서의 다이아몬드 큐비트 특성 연구 및 사용이 가능한 하이브리드(Boron-doped-diamond on diamond) 다이아몬드 양자센서 개발 및 성능 검증

ㅇ 연구결과에 대한 정량적 성과목표

1단계 (‘25~‘27)	<다이아몬드 기판 성장 기술 개발> - 단일 NV기준 T2 >1.8 ms 을 달성하는 고순도 다이아몬드 기판 성장 기술 (T2 측정은 상온, Hahn echo 기반) - 낮은 13C 농도 (< 0.1%)를 갖는 다이아몬드 성장 기술 - 5nm 이하의 두께를 갖는 delta-doping 기술 확보 <하이브리드 소자 개발 및 성능 검증> - 극한 상황에서의 다이아몬드 큐비트 특성 확인 - 하이브리드 소자 개발: BDD (Boron-doped-diamond) on diamond - 일반적인 NV 공명 주파수(3 ± 0.5 GHz) 에서 사용 가능한 두께 1 ㎛ 이하의 BDD 성장법 개발 - BDD를 이용한 MW 공진기 Rabi freq.: 10 MHz 이상
2단계 (‘28~‘29)	<다이아몬드 기판 성장 기술 개발> - 낮은 13C 농도 (< 0.01%)를 갖는 다이아몬드 성장 기술 - 다양한 P1(1 – 10 ppm) 농도를 갖는 2 nm 이하의 두께를 갖는 delta-doping 기술 확보 <하이브리드 소자 개발 및 성능 검증> - BDD를 이용한 극한 환경(온도 또는 압력)에서의 양자센싱 실증 - BDD를 이용한 다양한 Decoupling 등을 통한 결맞음 시간(T2) 50배 이상 연장 실증

ㅇ 각 단계당 양국 PI들이 공동저자인 논문 최소 2편 이상 또는 특허 출원 2건 이상

4. 지원기간/예산/추진체계

ㅇ 기간: 2025.07.01. ~ 2029.12.31.(3+2)

ㅇ 정부지원연구개발비: 4,501,000천원 (2025년 501,000천원, 2026-2029년: 1,000,000천원/년)

ㅇ 과제형태: (일반)연구개발과제

ㅇ 주관연구개발기관: 대학/출연(연)/기업부설연구소

※ 세계적 수준의 양자 연구기관과 국제공동연구단 구성 필수

ㅇ 기술료 징수여부: 징수

5. 특기사항

ㅇ 본 과제는 연구개발목표 및 연구개발내용에 대하여 국제적으로 연구수준이 높은 해외연구팀(추진배경 참조)과 협력하여 진행하여야 함

- 국내 연구팀은 산학연 컨소시엄을 구성하여 참여할 수 있음

- 원활한 국제 협력 연구 진행을 위한 공동 워크샵 운영 (최소 1년에 1회 이상)

ㅇ 실제 제출하는 과제명은 연구자의 아이디어가 포함될 수 있는 제목으로 연구계획서를 제출해야 함

ㅇ 사업 및 과제의 성과 고도화를 위해 전체 연구기간과 동일한 기간의 동일주제의 위탁과제 금지

- 위탁과제는 특수한 전문지식 또는 기술이 필요한 부분으로 한정하여 운영(시작품 제작, 시험평가 등은 연구용역으로 추진)

ㅇ 과제개시일 이전에 제출된 논문/특허 등의 성과는 해당과제의 성과로 인정되지 않음

ㅇ 과제 종료된 해의 다음 해부터 5년 동안은 과제 종료 후 발생한 논문, 특허, 기술이전 등의 성과 정보를 국가연구개발사업 통합정보시스템에 등록 하여야 함

ㅇ 기존 기술 및 기존 과제와의 차별성을 구체적으로 제시할 것

ㅇ 단계평가를 통해 계속지원여부(과제중단)를 판단하며, 매년 정부 예산 사정에 따라 연구비가 변동될 수 있음

ㅇ 과제계획서 제출 시 단계별 개발 계획 및 실행 계획을 구체적으로 제시해야 함

ㅇ 단계/최종평가 시 연구목표의 달성도를 중심으로 평가진행 예정

- 단계/최종평가는 발표평가를 원칙으로 하며, 필요시 재단 소관 PM이 평가에 참여할 수 있음

ㅇ 국책연구는 개인연구가 아닌 집단 및 융합연구를 지향하며, 최고의 가치를 추구함

RFP관리번호

2025-양자-지정공모형-16

공모유형

지정 공모형

해당여부

■ 국가전략기술 □ 탄소중립 ■ 글로벌 R&D □ 미래소재 □ 전략연구사업(MVP)(예정) □ 국방전략기술(예정)

국책연구기획평가전문분야

PM분야

양자기술

RB분야

전 분야

RB세부분야

전 분야

사업명

양자정보과학 인적기반 조성사업(리더급연구역량강화 - 전략기술형)

RFP명

동적 대기난류 보정 기반 무선 양자통신 기술 개발을 위한 국제 공동 연구

(TRL : [시작] 1단계 ~ [종료] 3단계)

RFP유형코드

사업목적·내용

성과물 특성

지원대상

보안과제 분류

일반

I

0

-

1

1. 추진배경

ㅇ 양자통신은 양자역학의 원리를 이용해 통신의 보안성을 극대화할 수 있는 기술로, 국가 안보, 위성통신, 금융, 에너지 등 보안이 핵심적인 분야에서 활용성이 매우 높은 차세대 통신 인프라임

ㅇ 특히 자유공간 기반 양자통신(Free-space quantum communication)은 지상-지상, 지상-위성 간 통신망을 구축할 수 있어 광역 보안 네트워크의 핵심 기술로 주목받고 있음

ㅇ 그러나 자유공간을 통한 단일광자 송수신은 동적 대기 난류의 영향을 직접적으로 받아 광자의 경로, 위상, 세기 등이 왜곡되며, 이는 양자키분배(Quantum Key Distribution, QKD) 성능을 결정하는 신뢰도(예: 양자비트 오류율)와 안정성에 치명적인 저하를 초래함

ㅇ 현재 대기 난류 보정 기술로는 적응광학(Adaptive Optics, AO), 광위상 공액(Optical Phase Conjugation, OPC), AI 기반 예측 보정 알고리즘 등이 있으며, 이는 천문학, 레이저 통신, 정밀 관측 분야에서 일부 적용되고 있음

ㅇ 캐나다 오타와대학의 Robert W. Boyd 교수팀은 OPC 기반의 난류 보정 기술을, Ebrahim Karimi 교수팀은 AI 기반 예측 도구(TAROQQO) 및 고속 적응광학 시스템을 개발하여 자유공간 양자통신에 접목하고 있으며, 오스트리아 IQOQI Vienna는 위성 기반 QKD 실증 실험을 통해 장거리 양자통신 가능성을 선도하고 있음

ㅇ 본 과제는 AI 기반 예측-동적 대기난류 보정 기술을 통합하여 대기난류로 인한 광자 왜곡을 실시간으로 보정하고, 이를 통해 자유공간 QKD의 안정성과 보안성, 확장성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기반 기술을 확보하고자 함

ㅇ 이를 통해 장거리 고신뢰 양자통신 기술의 실증 기반을 마련하고, 향후 위성 양자통신 및 국가 보안 통신망으로의 확장이 가능한 자유공간 양자통신 핵심 기술의 자립화를 도모하고자 함

2. 연구개발목표

ㅇ 최종 목표 : 동적 대기난류로 인한 광자 신호의 위상 및 세기 왜곡을 실시간으로 예측·보정할 수 있는 기반 기술을 확보하고, 이를 자유공간 기반 양자키분배(QKD) 시스템에 적용함으로써 장거리에서도 안정적으로 작동하는 고신뢰 자유공간 양자통신 기술을 실현하는 것을 목표로 함

ㅇ 단계별 목표

1단계(‘25~‘27)	<동적 대기난류 예측 및 보정 기반 기술 개발> - 자유공간 링크의 광학 경로에서 발생하는 난류의 물리적 특성(난류 강도 지수 Cn2 등) 분석 및 시뮬레이션 기반 모델링 - 난류 예측 알고리즘 설계 및 실시간 보정 기술 확보 - 적응광학을 활용한 광파면 보정 알고리즘 개발 및 실내 광학계 구성 - 광위상 공액 기반 위상 복원 시스템의 초기 설계 및 시제품 구현 <실내 난류 환경에서의 자유공간 QKD 연동 실증> - 자유공간 QKD 송수신 시스템 기본 구성 및 초기 통신 성능 측정 실내 난류 환경 구현을 위한 인공 난류 생성기 및 평가 시스템 구축 - 난류 보정 기술 적용 전후의 광 링크 손실, 양자비트 오류율, 키 생성률 변화 비교 분석 - 실내 기반 난류 환경에서 양자통신 성능 변화 및 보정 효과 실증
2단계(‘28~‘29)	<실시간 난류 예측–보정 통합 시스템 고도화> - 통합(적응광학, 광위상 공액 기술, AI 기반 난류 예측 등) 난류 보정 기술이 적용된 광학 시스템 구현 - 실외 환경(자연 난류 조건)에서 난류 예측 및 보정 정밀도 검증 - 자유공간 QKD의 실외 실증을 통해 실시간 보정 성능 및 통신 안정성 확보 - 실시간 난류 예측–보정 기술의 양자라이다, 양자이미징 기술 등 양자기술로의 확장 가능성 탐색 <고난류 조건 실외 자유공간 QKD 실증 및 확장성 평가> - 실외 자유공간에서 통합 보정 기술 기반 무선 QKD 시스템 실증 - 다양한 난류 조건에서의 통신 신뢰성(양자비트 오류율, 키 생성률 등) 정량 분석 및 시스템 안정성 평가 - 지상–지상 간 통신 등 장거리 시나리오 실증

3. 연구개발내용 및 성과목표

□ 연구 개발 내용

1단계(‘25~‘27)	- 난류 예측 및 실시간 보정 알고리즘 개발 - 적응광학 기반 파면 보정 기술 및 광위상 공액 기반 위상 복원 기술 구현 - 인공 난류 환경 조성을 통한 실내 자유공간 QKD 시스템 실증
2단계(‘28~‘29)	- 실시간 난류 보정 기술이 적용된 QKD 시스템 구축 및 실외 환경 실증 - QKD 실외 연동 실증 - 고난류 환경(ex. 난류 강도 지수 Cn2 기준)에서의 안정성 확보 및 성능 정량 평가

□ 성과 목표

1단계(‘25~‘27)	- 보정 광학계 동작 속도: >100 Hz - 자유공간 양자통신: 단일광자 양자상태 전송 충실도 >97% - 적응광학 기술: (적용 전) 프로세스 충실도 ≤ 50%, (적용 후) 프로세스 충실도 ≥ 90% 이상 달성 - 난류 예측 정확도, 누화행렬의 가시도 등 주요 성능지표는 도전적인 기술 수준에 맞춰 제안
2단계(‘28~‘29)	- 보정 광학계 동작 속도: >200 Hz - 자유공간 QKD 전송거리 >100 m, 양자비트 오류율 < 3%, 키 생성률 > 1 kbps - 채널 프로세스 충실도 >98% 달성 - 파면 보정 정확도, 광 손실률, 통신 안정성 등 주요 성능지표는 도전적인 기술 수준에 맞춰 제안

ㅇ 각 단계당 양국 PI들이 공동저자인 논문 최소 2편 이상 또는 특허 출원 2건 이상

4. 지원기간/예산/추진체계

ㅇ 기간: 2025.07.01. ~ 2029.12.31.(3+2)

ㅇ 정부지원연구개발비: 4,501,000천원 (2025년 501,000천원, 2026-2029년: 1,000,000천원/년)

ㅇ 과제형태: (일반)연구개발과제

ㅇ 주관연구개발기관: 대학/출연(연)/기업부설연구소

※ 세계적 수준의 양자 연구기관과 국제공동연구단 구성 필수

ㅇ 기술료 징수여부: 징수

5. 특기사항

ㅇ 본 과제는 연구개발목표 및 연구개발내용에 대하여 국제적으로 연구수준이 높은 해외연구팀(추진배경 참조)과 협력하여 진행하여야 함

- 국내 연구팀은 산학연 컨소시엄을 구성하여 참여할 수 있음

- 원활한 국제 협력 연구 진행을 위한 공동 워크샵 운영 (최소 1년에 1회 이상)

ㅇ 실제 제출하는 과제명은 연구자의 아이디어가 포함될 수 있는 제목으로 연구계획서를 제출해야 함

ㅇ 사업 및 과제의 성과 고도화를 위해 전체 연구기간과 동일한 기간의 동일주제의 위탁과제 금지

- 위탁과제는 특수한 전문지식 또는 기술이 필요한 부분으로 한정하여 운영(시작품 제작, 시험평가 등은 연구용역으로 추진)

ㅇ 과제개시일 이전에 제출된 논문/특허 등의 성과는 해당과제의 성과로 인정되지 않음

ㅇ 과제 종료된 해의 다음 해부터 5년 동안은 과제 종료 후 발생한 논문, 특허, 기술이전 등의 성과 정보를 국가연구개발사업 통합정보시스템에 등록 하여야 함

ㅇ 기존 기술 및 기존 과제와의 차별성을 구체적으로 제시할 것

ㅇ 단계평가를 통해 계속지원여부(과제중단)를 판단하며, 매년 정부 예산 사정에 따라 연구비가 변동될 수 있음

ㅇ 과제계획서 제출 시 단계별 개발 계획 및 실행 계획을 구체적으로 제시해야 함

ㅇ 단계/최종평가 시 연구목표의 달성도를 중심으로 평가진행 예정

- 단계/최종평가는 발표평가를 원칙으로 하며, 필요시 재단 소관 PM이 평가에 참여할 수 있음

ㅇ 국책연구는 개인연구가 아닌 집단 및 융합연구를 지향하며, 최고의 가치를 추구함