양자 레이더 기술 대량생산에 나선 중국

양자 레이더, 대량생산 논의에 들어서다

중국은 가장 미약한 신호까지 포착하도록 설계된 단일 광자 검출기, 이른바 ‘광자 포획기’의 대량생산을 시작했다고 밝혔다. 이 주장은 수년간 국방 연구소들이 추진해 온 전략적 목표, 즉 미국 스텔스 전투기를 비롯해 기존 레이더를 피하도록 설계된 항공기를 탐지할 수 있는 양자 레이더 개발을 가리킨다. 발표는 안후이성 양자정보공학기술연구센터가 내놓았으며, 과학기술부 산하 매체인 과학기술일보가 보도했다. 이 장치는 초저잡음 4채널 제품으로 소개됐고, 중국 측은 미래 양자통신·감지 시스템의 핵심 구성 요소라고 설명했다.

파급력은 크다. 스텔스 항공기는 형상 설계와 코팅, 전술을 활용해 레이더 반사 신호를 줄이고 센서를 교란한다. 빛의 양자 특성을 이용해 실용적인 양자 레이더가 주변 잡음 속에서 실제 신호를 가려낼 수 있다면, 저피탐 성능에 의존하는 항공기를 더 쉽게 찾아낼 수 있다. 미국과 동맹국의 국방 계획가들이 이를 주시하는 이유다. 이들의 공군력 운용 개념은 충분히 계획된 스텔스 작전이 통합 방공망을 감수할 만한 위험 수준으로 뚫을 수 있다는 전제를 바탕으로 한다. 작동 가능한 양자 레이더는 방공, 해상 감시, 전장 관리 전반의 위험 산정 방식을 바꿀 수 있다.

중국은 실전 배치된 레이더를 공개한 것은 아니다. 완성된 시스템이 아니라 구성 요소를 부각하고 있다. 그렇더라도 민감한 검출기의 대량생산은 한때 실험실 연구대에만 있던 하드웨어를 규모화하려는 노력을 시사한다. 실험실 장치와 작전용 레이더 사이에는 큰 간극이 있으며, 기술적 장애물도 여전히 많다. 현재로서는 완성된 역량보다 실험실 밖에서 양자 감지를 실용화하는 데 필요한 하드웨어를 성숙시키려는 경쟁에 관한 이야기다.

중국이 개발했다고 밝힌 장치

중국 관영 매체는 광자 포획기를 대량생산에 들어간 최초의 초저잡음 4채널 단일 광자 검출기라고 소개했다. 4채널 구조는 여러 신호를 동시에 감지해 영상 형성과 처리 속도를 높일 수 있다. 보도에 따르면 이 장치는 잡음을 크게 줄이고 섭씨 영하 120도 안팎의 매우 낮은 온도에서 작동할 수 있어 취약한 양자 상태를 보존하는 데 도움이 된다. 검출기 패키지가 경쟁 제품보다 훨씬 작아 일반적인 단일 채널 장치의 약 9분의 1 크기라는 주장도 나왔다. 소형 하드웨어는 이동형 또는 분산형 센서 시스템에 통합하기가 더 쉽다.

단일 광자 검출기의 역할은 말로 설명하기는 간단하지만 구현하기는 어렵다. 빛의 가장 작은 불연속 단위인 광자 하나가 도착한 것을 안정적으로 감지하면서 나머지는 모두 걸러내야 한다. 실제 환경에서는 단일 광자 주변에 열복사, 햇빛, 반사광, 전자기 간섭, 센서 잡음이 존재한다. 중국 측은 대량생산으로 핵심 양자 부품의 자급 능력을 확보한다고 강조한다. 이는 산업적 의미와 전략적 의미를 모두 지닌다.

과학기술부가 감독하는 과학기술일보는 이 난제를 설명하기 위해 생생한 비유를 사용했다. 이 매체는 잡음이 많은 환경에서 실제 신호를 찾아내는 데 필요한 정밀도를 묘사했다.

중국 과학기술부 산하 매체인 과학기술일보에 따르면 단일 광자를 분리해 내는 일은 거의 불가능한 행위에 비견된다. 이 매체는 눈에 띄는 비유로 그 민감도를 설명했다.

천둥이 치는 동안 모래알 하나가 떨어지는 소리를 구별하는 것

관영 매체는 또 이 검출기가 양자통신망, 안전한 연결을 위한 양자 키 분배, 레이더 외 다양한 감지 분야를 지원할 것이라고 밝혔다. 응용 분야로는 생체의료 영상부터 심우주 레이저 거리 측정까지 거론됐다. 이 장치는 핵심 양자 부품을 국내에서 생산하려는 더 광범위한 국가적 추진의 일환으로 소개됐다.

양자 레이더의 작동 원리

양자 레이더는 잡음이 많거나 출력이 낮은 조건에서 탐지 성능을 높이기 위해 양자역학을 활용하는 감지 기법을 통칭한다. 흔히 ‘양자 조명’이라고 불리는 한 접근법은 얽힌 광자 쌍을 만드는 데서 시작한다. 얽힘은 두 광자가 생성될 때 서로의 특성을 연결해 공동의 지문을 갖도록 한다. 레이더는 광자 하나를 표적 쪽으로 보내고 짝이 되는 광자는 특수 메모리에 저장한다. 광자가 되돌아오면 수신기가 반사된 광자와 저장된 광자를 비교한다. 두 광자의 일치 여부를 확인하면 반사 신호가 무작위 배경 잡음이 아니라 처음 보낸 광자에서 비롯됐을 가능성이 높다는 점을 알 수 있다. 핵심은 신호의 원시 세기가 아니라 상관관계다.

쉽게 설명하는 양자 조명

기존 레이더는 다수의 전파를 쏘고 반사파를 수집해 잡음보다 두드러지는 패턴을 찾는다. 스텔스 기술은 반사파를 줄여 수신기가 이를 잡음과 구별하지 못하게 한다. 양자 시스템은 방출한 광자와 되돌아온 광자 사이의 특징적인 연결을 찾는다. 반사 신호가 매우 약해도 고유한 연결 관계를 이용하면 신호를 두드러지게 만들 수 있다. 디지털 무선주파수 메모리를 이용한 기만 재밍 같은 일부 교란에도 강할 수 있다. 재머가 광자의 정확한 양자 상태를 복제하기는 쉽지 않기 때문이다.

재밍이 더 어려워지는 이유

전자전 전술은 가짜 신호를 주입하거나 잡음으로 레이더를 포화시켜 눈을 멀게 하거나 혼란시키려 한다. 양자 상태의 물리적 특성은 적이 양자 상태를 완벽하게 복제할 수 없다는 점에서 방어 수단이 될 수 있다. 그렇다고 레이더가 무적이 되는 것은 아니지만 판도는 달라진다. 더 어려운 과제는 재밍에 대한 내성이 아니라, 적절한 광자를 생성하고 보내고 저장하고 측정해 실용적인 거리와 시간 규모에서 작동하는 시스템을 만드는 일이다.

스텔스 전투기가 노출될 수 있는 이유

F-22와 F-35 같은 스텔스 항공기는 전파를 비껴가도록 기체를 설계하고 에너지를 흡수하는 소재와 코팅을 사용해 레이더 단면적을 줄인다. 무장을 기체 내부에 탑재하고 레이더 방출도 관리해 탐지 가능성을 낮춘다. 이런 방식은 반사파의 세기에 의존하는 기존 레이더를 상대로 효과적이다. 되돌아온 광자가 방출된 광자와 실제로 연결돼 있는지 확인할 수 있는 양자 레이더라면 반사 신호가 약하더라도 항공기를 탐지할 수 있다. 이론상 저피탐 성능의 이점을 줄일 수 있다. 실제 성능은 탐지 거리와 측정 속도, 기동과 잡음이 있는 환경에서 표적을 추적하는 능력에 달려 있다.

중국의 보도는 다채널 단일 광자 검출기가 탐지와 영상화 속도를 높일 수 있다고 시사한다. 레이더가 방출해야 하는 에너지를 줄여 레이더 자체의 탐지 가능성을 낮출 수도 있다. 장치의 전력 소모가 적고 기존 초전도 검출기보다 넓은 온도 범위에서 안정적으로 작동한다면 고정 지상 시설부터 고고도 기구나 드론까지 더 많은 플랫폼에 탑재될 수 있다. 소량의 광자 신호를 안정적인 탐지 단서로 바꾸는 더 민감한 수신기를 구현할 수 있다는 기대다.

여전히 남아 있는 까다로운 물리적 문제

양자 감지는 취약한 상관관계가 유지될 수 있는 단거리에서 가장 효과적이다. 지금까지 많은 시연은 실험실 공간이나 수십 피트 거리, 또는 이상적인 조건에서 최대 수 킬로미터의 단거리에서 이뤄졌다. 과거 시험에서 100㎞ 거리 탐지가 가능했다는 주장은 중국 밖에서는 여전히 논쟁의 대상이며, 공개적으로 실전 배치된 시스템으로 이어지지 않았다. 중국의 분석에서도 신속한 배치를 가로막는 만만찮은 제약이 지적된다.

멀리 이동하고 기상 조건을 통과하는 무선주파수 대역에서 얽힌 광자 쌍을 만드는 일은 광학 또는 마이크로파 파장에서보다 훨씬 어렵다. 광자를 생성하고 계수하는 장치는 양자 결맞음을 보존하기 위해 극저온 냉각이 필요한 경우가 많다. 많은 양자컴퓨터가 절대영도에 가까운 온도에서 작동하는 데는 이유가 있다. 항공기나 회전형 지상 안테나에 장착된 센서를 그런 온도로 냉각하는 일은 큰 공학적 과제다. 무게와 전력 수요, 유지보수의 복잡성이 늘어난다.

양자 상태가 주변 환경과 상호작용할 때 무너지는 경향인 결맞음 상실은 거리와 신뢰성을 제한한다. 레이더는 표적 추적을 위해 방향과 속도를 빠르게 측정해야 한다. 기존 레이더는 도플러 편이를 쉽게 추출해 속도를 파악한다. 단일 광자를 이용하는 양자 방식은 긴 적분 시간 없이는 충분히 빠르게 속도 정보를 얻기 어려울 수 있다. 긴 적분 시간은 정적인 장면을 영상화할 때는 괜찮지만 몇 초가 중요한 방공의 작전 속도에는 맞지 않는다. 대기 흡수와 산란, 배경 복사도 잡음을 더한다.

미국 연구기관들은 이론적 이점을 인정하면서도 현재 시스템은 장거리 탐지에 아직 실용적이지 않다고 평가해 왔다. 실험실 실험을 벗어난 분야에서는 이 신중한 평가가 여전히 기준이다. 통제된 실험대의 시험에서 넓은 공간을 주사하고 여러 채널의 데이터를 융합하며 매일 보정을 유지하는 작전용 레이더로 도약하는 일은 결코 간단하지 않다.

새 검출기가 바꿀 수 있는 것

더 나은 단일 광자 검출기는 양자 레이더에서 가장 취약한 부분인 수신기를 개선할 수 있다. 장치가 잡음을 줄이고 실제 광자 신호를 더 많이 포착하며 여러 채널을 동시에 처리한다면 레이더는 쓸 수 있는 데이터를 더 빠르게 수집할 수 있다. 영상화 속도가 빨라지면 빠르게 움직이는 표적을 탐지하고 위치를 분리해 낼 가능성이 높아진다. 다채널 수집은 여러 파장을 활용하는 전략도 가능하게 한다. 서로 다른 주파수로 탐색한 뒤 결과를 결합해 판단의 신뢰도를 높일 수 있다.

중국 측 설명에 따르면 이 검출기는 전력 소모와 레이더로 사용할 때의 방출 에너지가 적어 적 센서에 덜 노출된다. 저에너지 송신은 생존성 측면에서 매력적이다. 소형 무인기와 성층권 기구처럼 전력 예산이 빠듯한 플랫폼에도 중요하다. 검출기 패키지가 실제로 소형이라면 지상 배열부터 해상 초계 플랫폼까지 센서를 설치할 수 있는 범위가 넓어진다. 여러 거점에 배치된다면 소형 양자 센서망이 단서를 공유하고 접촉 정보를 교차 확인할 수 있다.

실험실의 호기심에서 다층 방공망으로

양자 레이더 하나만으로 작전을 수행할 준비가 되지 않았더라도, 양자 레이더의 신호는 더 큰 감시 체계에 보탬이 될 수 있다. 중국은 레이더 단면적이 작은 항공기를 탐지하는 데 유리한 초고주파 레이더와 우주 기반 광학 센서에 투자해 왔다. 고해상도 광학 탑재체를 갖춘 위성에 관한 보도는 광역을 상시 관측할 수 있는 가능성을 시사한다. 여러 공군이 사용하는 적외선 탐색·추적 센서는 레이더 스텔스 여부와 관계없이 항공기의 열 신호를 탐지할 수 있다. 광자 수준의 레이더도 탐지 단서를 제공하는 센서로 이 체계에 합류할 수 있다. 한 센서가 표적의 흔적을 포착하면 다른 센서가 집중 감시해 상황을 구체화할 수 있다.

현대 공중전은 이제 네트워크 경쟁이다. 여러 출처의 데이터를 융합하고 기만 표적을 걸러내며 표적화에 필요한 양질의 정보를 사격 부대에 더 빠르게 전달하는 쪽이 우위를 얻는다. 중국이 양자 센서를 지휘 네트워크에 통합한다면, 처음에는 단거리만 감시하더라도 기존에 없던 탐지 기회를 만들 수 있다. 스텔스는 여전히 교전 가능 시간을 줄이고 표적화를 어렵게 만들겠지만 기습을 달성하기는 더 어려워질 수 있다.

한 나라만의 경쟁이 아닌 세계적 경쟁

양자 레이더와 관련 센서를 개발하는 나라는 중국뿐이 아니다. 북미와 유럽의 대학 및 정부 연구소들은 10년 넘게 양자 조명 실험을 진행해 왔다. 캐나다는 북극 감시를 목표로 워털루대학교의 연구에 자금을 지원했다. 유럽연합은 양자기술 프로그램에 막대한 자금을 투입했고, 방산업체들도 군사 감지 응용 분야를 살펴보고 있다. 미국 연구소들은 물리적 원리를 검증하고 양자 감지를 계속 연구하는 한편, 단기적으로는 적외선 탐색·추적과 수동형 무선주파수 네트워크처럼 입증된 방식에 집중하고 있다.

인도와 다른 국가들도 양자 연구센터를 설립하고 위성 시스템을 보완할 수 있는 양자통신과 항법 기술을 연구하고 있다. 이런 투자는 일정이 불확실하더라도 양자기술이 안보와 상업 분야에서 중요해질 것이라는 폭넓은 믿음을 반영한다. 이 경쟁은 특정 장치 하나뿐 아니라 산업·과학 기반을 구축하는 데도 걸려 있다. 저잡음 검출기와 안정적인 광자원, 견고한 양자 메모리를 대량생산할 수 있는 국가는 획기적인 성과가 나왔을 때 실용 시스템을 배치하는 데 더 유리할 것이다.

앞으로 주목할 점

양자 레이더가 주장 단계에서 실제 역량으로 나아가고 있다는 증거는 작전 환경에 가까운 조건의 시연에서 나올 것이다. 주요 이정표로는 항공 플랫폼에 냉각 검출기 패키지를 탑재한 비행 시험, 이동 표적을 꾸준히 추적하는 수 킬로미터 거리 탐지, 검증된 속도 측정, 탐지 단서 제공을 위한 방공망 통합 등이 있다. 외부 전문가가 참관하는 투명한 시험이 가장 큰 신뢰를 얻을 것이다.

하드웨어 측면에서는 무선주파수 광자원, 플랫폼에서 작동할 수 있는 소형 극저온 시스템, 실용적으로 쓸 만큼 결맞음을 오래 보존하는 양자 메모리의 진전을 주시해야 한다. 배치 측면에서는 민감한 검출기가 해안 기반 레이더와 비행선, 드론, 함정에 탑재되기 시작하는지 살펴볼 필요가 있다. 양자 센서가 먼저 틈새 역할에서 가치를 더한 뒤 감시 범위를 넓히는 점진적 경로가 유력하다. 이런 단계가 이뤄질 때까지 스텔스 항공기는 상당한 우위를 유지하겠지만, 분쟁 지역에서 그 격차가 줄어드는 상황을 국방 계획가들은 고려해야 한다.

핵심 요약

• 중국은 ‘광자 포획기’라는 별칭의 초저잡음 4채널 단일 광자 검출기를 대량생산하고 있다고 밝혔다
• 이 장치는 양자 레이더와 양자통신망의 핵심 구성 요소로 소개됐다
• 양자 레이더는 얽힌 광자와 상관관계 확인을 이용해 잡음에서 실제 신호를 가려내며, 스텔스 항공기를 노출시킬 가능성이 있다
• 거리와 냉각, 결맞음 상실, 측정 속도는 실용 시스템의 실전 배치를 가로막는 주요 장벽으로 남아 있다
• 더 나은 검출기는 수신부를 강화해 영상화 속도 향상과 전력 소모 감소를 기대하게 한다
• 한계가 있더라도 양자 센서는 VHF 레이더와 우주 광학 센서, 적외선 시스템과 함께 다층 방공망을 지원할 수 있다
• 여러 국가가 양자 감지에 투자하고 있어 단일 국가의 돌파구가 아닌 세계적 경쟁으로 이어지고 있다
• 현실적인 현장 시험과 플랫폼 통합, 독립적인 검증을 통해 신뢰할 만한 진전을 확인할 수 있다