1. 양자컴퓨팅이란 무엇이고, 왜 지금 부상하는가?
양자컴퓨팅이란?
현실의 구조를 활용해 전통적으로 해결되지 않은 문제를 해결하는 새로운 컴퓨팅 패러다임
‘양자’라는 개념을 살펴보기 앞서, ‘분자’는 물질의 성질을 나타내는 가장 작은 단위다. 가령 물의 성질을 나타내는 H₂O를 분자라고 한다. 이 때 H와 O는 ‘원자’에 해당한다. 두 개 이상의 원자가 결합해 분자를 형성하는 것이다. ‘양자’는 원자보다도 훨씬 작은 전자나 광자 단위로, 더 이상 나눌 수 없는 에너지의 최소 단위다.
양자컴퓨팅(Quantum Computer, QC)은 기존 고전컴퓨팅(Classical Computer, CC)과 다르게, 양자역학의 원리를 기반으로 하여 큐비트(Qbit) 단위로 정보를 처리한다. 큐비트의 ‘중첩’과 ‘얽힘’이라는 특성을 통해 고전컴퓨터와 비교할 수 없는 병렬 연산 능력을 수행하며, 복잡성이 높은 문제의 연산에 최적화된 기능을 수행하는 데에 탁월하다. 큐비트를 기반으로 한 양자컴퓨팅의 특성 5가지를 살펴보자.
먼저 ‘중첩’은 0과 1을 모두 가지고 있는 것이다. 가령, 일반 동전은 앞면(0) 또는 뒷면(1)이 존재하는데, 이 동전을 공중으로 던졌을 때 앞면(0)일 수도, 뒷면(1)일 수도 있는 그 상황을 중첩이라고 한다. 만약 큐비트가 2개라면, 01, 10, 11, 00라는 4개 값을 동시에 가진다. 3개라면, 8개의 값을 가진다. 이처럼 큐비트가 증가하는 경우의 수만큼의 연산을 한 번에 처리할 수 있다. 예를 들어, 10가지 경로 중 가장 빠른 길을 찾아야 한다면, 고전컴퓨팅은 10개 경로를 순차적으로 하나씩 계산하여 찾아낸다. 반면, 양자컴퓨팅은 단 한 번의 연산만으로 찾아낼 수 있다. 두 번째 특성은 ‘얽힘’이다. 양자는 얽혀 있다는 것이다. 예를 들어, 고전컴퓨팅의 비트 5개가 모두 0인데, 1로 모두 바꾸고 싶다면 전자신호를 5번 보내야 한다. 반면, 5개의 큐비트라면, 하나의 큐비트만 0에서 1로 바꿔주면 나머지 큐비트는 자동으로 다 바뀐다. ‘중첩’과 ‘얽힘’ 특성으로 인해 양자컴퓨팅은 병렬적인 연산이 가능하고, 한 번의 연산으로 대단히 많은 경우의 수를 계산할 수 있다는 것이다. 세 번째 특성은 ‘논리 큐비트’다. 양자 얽힘 상태인 큐비트가 묶여서 작업을 하는 것을 의미한다. 네 번째 특성은 ‘오류율’이다. 양자컴퓨팅은 기본적으로 오류율이 존재한다. 또한 연산 기간 동안 얽힘 상태를 유지해야 하는 것이 매우 어렵다. 다섯 번째 특성은 ‘QEC(Qubit Error Correction)’이다. 앞서 말한 오류율을 개선하기 위해 나온 기술이다.
▶ 양자컴퓨팅 개요
양자 기술의 구분
양자 통신, 양자 센싱, 양자 컴퓨팅으로 구성
양자 기술은 양자 통신, 양자 센싱, 양자 컴퓨팅으로 분류할 수 있다. 이들은 중첩(Superposition), 얽힘(entanglement), 불확실성(uncertainty), 간섭(Interference) 등 양자역학적 특성을 기반으로 한다는 공통점이 있으나, 각자의 역할로 구분할 수 있다.
▶ 양자 기술(Quantum Technology, QT) 유형
세 유형은 독립적으로 발전하면서도, 상호 보완하여 활용
각 유형은 응용 목적이 달라 독립적으로 발전 중이며, 고난도 문제를 해결할 때 상호 연동되어 활용되기도 한다. 양자 통신은 양자 컴퓨터 간 안전한 연결을 가능하게 하고, 양자 센싱은 양자컴퓨팅 및 통신 시스템의 정밀한 제어를 지원하며, 궁극적으로는 ‘양자 인터넷’으로 연결된 센서-컴퓨터-통신 네트워크 생태계가 형성될 수 있다.
왜 지금 부상하는가?
1) 큐비트 수의 급속한 증가와 오차보정 실험 진전
양자컴퓨팅은 고전컴퓨팅의 한계를 극복하기 위한 ‘기술적 필요성’과 ‘이론적 기반’에서 출발했다. 이에 글로벌 투자와 관심을 바탕으로 실제 연산 성능 향상을 이루며 혁신 기술 발전의 기반을 마련하고 있다. 현재 1,000 큐비트 이상의 연산 능력을 가진 머신 개발 경쟁이 본격화되고 있다. 기존 대형 기술 기업, 학계, 그리고 신규 진입자들이 점점 더 빠른 속도로 성과를 창출해내고 있다.
양자컴퓨팅 기술의 발전 동향을 구체적으로 살펴보자. 1994년, 미국 수학자 피터 쇼어(Peter Shor)가 ‘쇼어 알고리즘’을 발표하면서 R&D 투자가 본격 시작됐다. 쇼어 알고리즘은 큰 수를 소인수분해 하는 문제를 양자 컴퓨터에서 획기적으로 빠르게 해결할 수 있음을 증명한 알고리즘이다. 이어 1995년, 미국 국립표준기술연구소(NIST)는 이온 트랩 방식의 양자 게이트(트랜지스터 기능)를 구현했다고 발표했다. 21세기 들어서서 큰 진전은 없었으나 2011년, 캐나다 스타트업 D Wave가 128 큐비트를 탑재한 양자컴퓨터를 최초로 출시했다고 발표했다. 실험실 수준에서 3~4개의 큐비트를 다루다가 128 큐비트 컴퓨팅이 발표한 것이다. 그러나 구현 방식에 대해 설명이 부족했고 오류율이 굉장히 높다는 한계가 있었다. 2019년, 구글이 양자컴퓨터 ‘시카모어’를 Nature에 등재하면서 양자역학의 원리를 활용하는 것이 가능하다는 것을 최초로 입증했다. 그리고 2024년, 오류발생 문제 해결 QPU인 ‘윌로우’ 칩을 출시했다. 향후 오류율도 줄일 수 있다는 것을 발표한 것이다. 2025년 초, Microsoft는 외부 노이즈에 강한 안정적인 QPU ‘마조라나’를 공개했다. 이처럼 새로운 기술이 끊임없이 나오면서 QPU 숫자는 기하급수적으로 증가했다.
2025년 5월, 구글은 RSA-2048 암호화 해독에 필요한 양자 컴퓨터 자원이 기존 예측보다 20배 감소했다는 연구 결과를 발표했다. 기존에는 2천만 개 큐비트가 필요하다고 예측했던 것을 1백 만개 큐비트로도 해독이 가능하다는 것이다. 이를 통해, 양자 컴퓨팅이 현대 암호체계에 미칠 위험성을 재평가하게 했다. 양자컴퓨터가 상용화 수준이 되면, 기존의 암호체계는 다 무너질 것으로 전망하는데, 이 시점을 2040~2050년 수준에서 2030~2035년 수준으로 크게 앞당긴 것이다.
▶ 양자컴퓨팅 기술의 발전 동향
2) 정부 및 국책기관의 대규모 투자 발표
주요 선도 국가들은 기술 주도권 확보를 위한 전략적 투자 및 글로벌 협업을 강화하며 양자컴퓨팅에 적극적으로 투자하고 있다. 그 중 양자컴퓨팅 선도국인 미국은 민간 주도의 기술과 생태계 우위를 바탕으로 격차를 벌리고 있다.
2024년, 과학기술정보통신부(이하 과기부)에서 양자기술 성숙도를 발표했다. 미국의 양자 기술 성숙도(100점)를 기준 삼아 나머지 국가 수준을 평가했는데, 우리나라는 2.3점에 그쳤다. 현재 우리나라는 정부 기관 중심으로 양자 개발을 추진하고 있으며, 민간 기업은 상용화 과정에서 일부 참여하고 있다. 일본과 북미 국가들은 민간 주도로 양자컴퓨팅 산업을 발전시키고 있고, 유럽은 정부 주도로 양자컴퓨팅 육성 전략을 추진하고 있다. 중국도 정부 주도 하에 국방 중심으로 전략을 펼치고 있으며, 글로벌 협력보다는 주로 독자 기술 개발을 수행하고 있다.
▶ 주요 국가별 양자컴퓨팅 전략
▶ 주요국 양자기술 성숙도1
3) 산업 적용 사례 및 PoC 프로젝트 검증 중
유럽 금융사 BBVA 및 HSBC, 물류사 DHL, 제약사 Boehringer Ingelheim, 금융사 J.P. Morgan, 에너지사 Exxon Mobil 등 다양한 산업에서 활용 사례가 급증하고 있다.
2. 양자컴퓨팅 시장구조는 어떻고, 주요 트렌드는 무엇인가?
양자컴퓨팅 산업 가치사슬
6가지 구조로 분류
가치사슬은 컴포넌트(Component), 하드웨어 칩 프로세서 개발사(Hardware-Processors), 칩을 포함한 전체 하드웨어 컴퓨팅 개발사(Hardware), 클라우드 서비스 제공사(Cloud), 소프트웨어 제공사(Software), 사용자(End-User)로 분류할 수 있다. 양자컴퓨팅의 가치사슬 구조는 아직 미성숙하지만, 가치사슬 단계별 차별화가 점차 뚜렷해지는 추세다. 또한, 가치사슬 간 파트너십 기반이 형성되고 있다.
IT 생태계 변화 전망
기회 선점을 위한 빅테크 및 스타트업들의 신속한 진입
양자컴퓨팅 시대에서 새로운 기회 선점을 위해 IT 생태계 전반에 걸쳐 기존 빅테크들이 빠르게 시장에 진입하며 장악력을 높이고 있다. 신규 스타트업들 또한 가세하며 다양한 사업자 유형과 수익모델이 등장하고 있다.
양자컴퓨팅 유형별 수익모델은 7가지로 나눌 수 있다. (1) 양자컴퓨팅을 구성하는 장비, 부품을 제조/판매하는 ‘Q-component supplier’, (2) 양자컴퓨팅 제품을 판매하거나 Q-Cloud Platform을 통해 QaaS로 수익을 창출하는 ‘QPU Specialist’, (3) QaaS 인프라 제공 후 중개료 수익을 얻는 ‘Q-Cloud Platform’, (4) 개발자들이 쓰는 E2E 소프트웨어 플랫폼을 제공하는 ‘Q-SW Gatekeeper’, (5) QPU, 소프트웨어, 클라우드까지 연계해 양자컴퓨팅 판매하고 QaaS 통해 수익을 창출하는 ‘Full-stack Q Builder’가 있다. 그리고, 아직 존재하지는 않지만 (6) QPU 기업의 주문에 맞춰 위탁 생산하여 수익을 창출하는 ‘QPU Foundry’, (7) 양자컴퓨팅를 활용하여 산업 특화 솔루션을 구축하여 서비스를 제공하는 ‘Q-Solution Provider’ 수익모델이 있다.
▶ IT 생태계 내 주요 Q-Player 유형 (사업자 중심)
양자컴퓨팅 생태계 내 주요 변화 방향
IT 생태계 내 양자컴퓨팅 사업자들은 기술표준 등 시장 기회를 선점하기 위해, 상호 경계를 허물며 사업 확장을 도모하고 있다. 이에 따라 주요 부문별 경쟁과 협력이 발생하고 있다.
▶ IT 생태계 內 변화 방향
1) 신규 QPU 및 특수 부품/장비 출현
양자컴퓨팅의 핵심기술인 QPU는 동시다발적으로 개발되는 초기단계로, 아직 절대적인 표준은 부재한 상황이다. 또한, 양자컴퓨팅 구현을 위해 특수 부품과 장비가 필요하다. QPU 칩을 만들고 제어하는 통제 장치가 필요하고, 극저온 상태를 유지해야 하기 때문에 극저온 냉각 장치들, QPU 인프라 환경에 적합한 제어전자 및 펄스 발생기와 같은 특수 부품 및 장비가 필요하다. 그러나, QPU 기업별 상이한 요구사항으로 범용 제품이 부재한 상황이며, 공급망이 상대적으로 제한적이다.
전 세계적으로 60여개 이상 기업들이 각기 다른 QPU 기술들을 개발 중이다. 실제 이 순간에도 새로운 종류의 QPU들이 계속 연구개발 되고 있다. 기업들은 각 구현 방식의 뚜렷한 장·단점을 바탕으로 다양한 기술을 선택해 개발 중이며, 이 중 초전도·이온트랩 방식은 상대적으로 낮은 구현 난이도를 바탕으로, 상용 환경에서의 검증 사례가 나오고 있다. 이 외에도 광자, 중성원자, 실리콘 기반의 큐비트, 위상 기반의 큐비트도 나올 예정이다. 각 구현 방식의 스펙의 비교 기준은 ‘큐비트 숫자, 정확도, 확장성, 안정성, 연결성, 큐비트 수명, 검증 현황(기술 성숙도)’ 등이 있다. 이처럼 양자컴퓨팅의 성능 자체는 단순히 큐비트 숫자만으로 결정되는 것이 아니다. 큐비트 숫자로만 비교한다는 것은 마치 자동차를 좌석 수만으로 비교하는 것과 유사하다. 다만, 최대한 많은 사람들과 함께 빨리 가야 하는 것이 목표라면 좌석 수가 중요해진다. 즉 QPU 특성마다 잘 해결할 수 있는 문제의 종류가 다르다.
2) QaaS(Quantum-as-a-Service) 서비스 확장
양자컴퓨팅의 높은 가격과 운영 복잡성으로 인해, QaaS 모델로의 전환이 지속 가능한 수익 창출과 시장 확대를 위한 필수 전략으로 부상하고 있다. 기본적으로 QPU 하드웨어가 굉장히 비싸다. 고전 컴퓨팅의 최초 모델인 ‘에니악’이 출시됐을 때도, 30톤의 무게에 사이즈도 매우 컸다. 게다가 현재 환율 가격으로 환산하면 76억원 정도로 매우 비쌌다. 현재의 양자컴퓨팅 또한 굉장히 크고, 구축 비용이 몇 백억 이상으로 매우 비싸다. QPU 사용자의 비용부담을 줄여주기 위한 방식이 QaaS 모델이다.
신규 QPU 기업은 자체 QaaS 인프라를 구축하여 시장 주도권을 확보하려고 노력하고 있다. 반면, 아마존, 구글, MS 등 기존 CSP(Cloud Service Provider) 기업은 QPU도 만들면서, 기존 인프라에 QaaS를 add-on하여 서비스를 제공하고 있다. 기존 CSP 사업자의 QaaS 동향은 오픈형 QaaS와 폐쇄형 QaaS, 2가지로 나뉜다. 대부분의 CSP 사업자들은 오픈형 QaaS를 제공하는데, 이는 자사 클라우드 서비스 플랫폼에 다른 QPU 제공업체의 하드웨어를 지원하는 것이다. 기존 고전컴퓨팅 인프라와의 통합이 용이하여 고객에게 하이브리드 구조를 제공할 수 있다는 장점이 있다. 반면, 구글과 같은 기업은 폐쇄형 QaaS를 채택하고 있다. 폐쇄형 QaaS는 자체 하드웨어만 제한적으로 허용함으로써 상업용 개방이 아닌, 기술 개발에 중점을 둔다.
● Panel Insight
전체 QaaS 시장이 1조원 규모로 확장 중이다. 국내에서도 QaaS 형태로 양자컴퓨팅 리소스를 제공하고 있다. 기업 대상의 유료 QaaS 뿐 아니라, 학교나 연구소 대상으로 제공하는 무료 서비스도 존재한다. 국내는 AWS Braket과 MS Azure Quantum가 서비스되고 있으며, 현재 국내 10여개 기업이 비용을 지불하며 사용하고 있다.
3) 양자컴퓨팅 소프트웨어 생태계 장악을 위한 표준 경쟁 심화
양자컴퓨터 생태계는 ‘APP 계층, 시스템 소프트웨어 계층, 하드웨어 계층’이 있는데, 이 중 ‘시스템 소프트웨어 계층’ 위주로 살펴본다. 시스템 소프트웨어 계층의 스텍으로는 알고리즘 및 라이브러리, 양자 프로그래밍 언어 및 SDK(Software Development Kit) 등이 있다. 이를 제공하는 클라우드 서비스 제공사 및 소프트웨어 전문기업들은 E2E 플랫폼을 만들어서 사용자 참여를 유도하고 있다. 특히 양자컴퓨팅은 아직 초기단계로 생태계 내 표준이 부재하기 때문에, 유관 사업자들은 개발자의 진입장벽을 낮추고 lock-in 할 수 있는 양자컴퓨팅 언어와 툴킷을 앞다퉈 개발하며 표준경쟁을 펼치고 있다.
IBM의 양자컴퓨팅 소프트웨어 플랫폼을 보자. 먼저, 양자컴퓨팅을 활용하고 싶다면 IBM 플랫폼 안에서 알고리즘 환경을 구성한다. 필요한 연산자를 드래그 앤 드롭 방식으로 배열한다. 이 배열을 통해 코드가 자동으로 생성되며, 코드를 바탕으로 큐비트 상태 등 시뮬레이션 상황이 대시보드로 나타난다. 이후, 디버깅과 검증이 자체적으로 완료된다. 검증이 완료되면 하드웨어 추상화 작업이 시작된다. 12개의 QPU 옵션을 보여주고, 이 중 QPU의 특성 등을 고려해 최적의 QPU를 선택한다.
▶ IBM 사례: 양자컴퓨팅 S/W 플랫폼 Workflow
4) 기술 개발 속도에 맞춰 활용 분야 점진 확대
산업별로 시장 전망은 어떨까? 다수의 연구기관 조사에 따르면, 기술의 발전 속도 증가, 정부와 민간 투자의 확대, 세계 주요국들의 규제 및 정책 정립 등으로 인해 주요 산업별 시장은 향후 10년 간 30배에서 600배까지 성장할 것으로 예측한다. 2024년 기준, 화학·소재, 금융서비스 산업의 시장규모가 가장 크고, 2035년에는 화학·소재 산업이 압도적으로 클 것으로 전망한다.
시장 규모의 주요 성장 동인은 기술적 요인, 경제적 요인, 정책적 요인이 있다. 먼저, 기술적 요인은 큐비트 증가, 오류보정 개선, 클라우드 통합 등을 꼽을 수 있다. IBM, Pasqal 등 기업은 100만 큐비트를 목표로 하고 있으며, 오류율 또한 지속적으로 낮출 것을 목표로 하고 있다. 클라우드 통합 측면에서는 현재 10억 달러 시장 규모에서 2030년 50억 달러 규모로 성장할 것으로 전망한다. 경제적 요인은, 정부 투자 및 민간 투자가 확대되고 있다는 것이다. 2024년까지 30여 개국의 누적 투자 금액은 400억 달러 이상이며, 향후 10년 간 4~500억 달러 이상 추가 투자가 이뤄질 것이다. 실제로는 그보다 더 많은 투자가 이뤄질 것으로 예측한다. 민간 투자도 마찬가지다. 2024년까지 약 150억 달러의 투자가 있었으며, 향후 10년 간 3~500억 달러 이상의 추가 투자가 전망된다. 마지막으로, 정책적 요인으로는 표준화 정립을 꼽을 수 있다. 양자 암호가 현실화되면서 기존 암호체계를 모두 바꿔야 하는 상황에 직면했다. 이에 국방과 금융 산업은 재빠르게 대응하고 있다. 2024년 미국 NIST는 양자암호표준화 법안을 발의했으며, 유럽연합(EU)도 2030년까지 양자암호표준화를 완료하겠다고 발표했다. 또 다른 정책적 요인으로 데이터 주권이 있다. 전 세계적으로 법제 공동체를 만들기 위한 논의가 활발하게 이뤄지고 있으며, 유럽연합은 양자데이터 국경 규제를 내년까지 만들겠다고 발표한 바 있다. 마지막으로, 미국, 중국,영국 등 양자컴퓨팅 선도국가가 R&D 세액공제 혜택을 확대하거나, 기술 이전 등 수출입 규제를 완화하는 등 투자를 촉진하고 있다는 점도 시장 성장의 정책적 요인으로 꼽을 수 있다.
● Panel Insight
우리나라는 대량 생산에 매우 특화돼 있기 때문에 공정 최적화에 양자컴퓨팅 활용이 유망할 것으로 예측한다. 가령 2025년까지 700만톤의 수소를 생산해야 하는 기업이 있는데, 2~3% 정도의 생산성을 높이면 1년에 1~2천 억의 부가가치를 만들 수 있다.
3. 언제까지 기다려야 하는가?
양자컴퓨팅의 상업화 시기
산업계와 학계, 관점 차에 따라 다른 전망 제시
양자컴퓨팅 기술 개발 기업들은 2030년 전후로 상업화 목표를 잡으며 비교적 공격적인 타임라인을 제시한다. 이들은 자사 내 기술 로드맵을 굉장히 구체적으로 제시하고 있다. 기술적으로 완벽하지 않더라도 현재 사용할 수 있는 수준이기 때문에, 특정 문제부터 해결하거나 비용을 절감하려는 시도를 시작했다. 이로 인해, 실제로 양자컴퓨팅이 슈퍼컴퓨팅 성능을 넘어서는 성과가 매우 많이 나타나고 있다.
반면, 학계는 산업계와 달리 학계는 완벽한 성능을 갖춘 양자컴퓨팅을 추구하기 때문에 보다 중립적 입장에서 상업화 시기를 전망한다. 실용성의 한계, 기술 개선의 필요성, 산업 적용 지연 등의 이유로 최소 10년 이상 소요될 것으로 예측하거나, 상용화 시점이 불투명하다고도 예측한다.
● Panel Insight
산업계와 학계가 바라보는 관점은 ‘엔지니어’와 ‘사이언티스트’가 바라보는 관점과 유사하다. 엔지니어 관점에서는 일부 오류가 있더라도 경제적인 이점이 있다면 가치가 있다고 판단한다. 반면 사이언티스트는 완벽한 양자컴퓨팅을 추구한다. 개인적인 견해로, 기업은 대량 생산의 경우, 2~10% 정도의 생산성 향상만 있어도 큰 효과를 발휘하기 때문에 상업화가 가능하다고 보는 것이다. 때문에 산업계에서는 2027~28년쯤 상업화가 가능할 것이라고 예측한다.
현재 상업화를 가로막는 요인으로는 양자컴퓨팅의 성숙도가 낮다는 것이다. 현재 기업들은 100~150개의 큐비트를 발표하고 있는데, 최소한 수십만 큐비트가 필요하기 때문에 상업화에 시간이 걸릴 것이다. 이를 해결하고자 많은 기업들이 활발히 연구 개발하고 있으며, 기업 간 치열한 경쟁이 상업화 속도를 앞당길 수 있다. 두 번째 요인은 양자 상태를 유지하는 기간(Coherence Time)을 늘려야 하는 이슈가 있다. 이 기간이 길어야 복잡한 알고리즘을 구현할 수 있다. 이외에, 소프트웨어 입장에서는 대량의 큐비트를 처리할 수 있는 알고리즘이 개발돼야 한다. 마지막 요인으로는, 대량의 큐비트를 프로그래밍할 수 있는 개발 환경도 발전해야 한다. 하드웨어와 소프트웨어 동시에 발전을 이뤄야 상업화를 앞당길 수 있다.
상용화를 가로막는 허들
양자컴퓨팅 핵심기술 및 난제
양자컴퓨팅 상용화를 위해서는 QPU의 큐비트 ‘스케일업’이 핵심이다. 하지만 2가지 난제가 존재한다. 먼저, 양자 특성 상 양자 상태 유지(Coherence)가 어렵다는 것이다. 양자 연산 중에 외부 교란이 불가피하기 때문에, 큐비트 수를 늘리면서 코히어런스 시간을 유지할 방안이 필요하다. 두 번째 난제는 오류율이 높다는 것이다. 양자의 확률적 접근에 따라, 양자 연산 과정 중 오류가 발생할 수 밖에 없다. 큐비트 수가 늘어나면, 연산 과정 복잡도가 높아지며 오류율 또한 기하급수적으로 높아진다. 이 난제들을 해결하기 위한 QEC(Qubit Error Correction)1 등 필요 기술은 기술적, 상업적 난이도가 매우 높다.
현재 여러 QPU 기술이 개발되고 있는데, 실제로 Full scale 시스템 구현을 위한 상용화 수준(충분한 큐비트 수, 낮은 오류율 등)에 도달한 기술은 거의 없다. 그렇지만 여러 기술 중에서도 초전도 회로나 이온트랩처럼 비교적 성숙도가 높은 기술도 존재한다.
1. QEC(Qubit Error Correction) 기술은 양자컴퓨터의 치명적 약점인 오류 발생 문제를 해결하기 위한 핵심 기술임
주요 QPU 기술의 특성 비교 및 동향
주요 QPU 기술들은 서로 다른 작동 원리를 기반으로 하기 때문에, 각기 다른 차별점과 기술적 장애 요인을 가지고 있다. 이로 인해, 업계에서는 향후 기술 발전 전망에 대해 상호보완적 ‘공존’과, 특정 기술의 ‘우세’라는 2가지 시각으로 나뉘어 논의되고 있다.
현재 가장 성숙도가 높은 기술로는 ‘초전도 회로’와 ‘이온트랩’ 방식이 있다. 이 두 기술은 구동 방식의 차이로 인해 속도, 확장성, 오류율, 안정성 측면에서 서로 다른 장단점이 존재한다. 먼저, 초전도 회로 방식은 게이트 속도와 확장성 측면에서 매우 유리하다. 그러나 주변 환경의 노이즈와 회로 불안정성 문제, 그리고 짧은 코히어런스 시간이 한계로 지적된다. 반면, 이온트랩 방식은 게이트 속도가 느리고 확장성에 제약이 있지만, 오류율이 낮고 코히어런스 시간이 길어 안정성이 높은 것이 장점이다.
이러한 특성 차이로 인해 산업 내에서는 ‘여러 QPU 기술이 공존할 것이다’와 ‘특정 QPU 기술이 시장을 독점할 것이다’라는 전망이 공존한다. 먼저, ‘공존’한다는 입장에서는, 서로 다른 QPU 기술이 각자의 특성에 따라 각기 다른 영역에서 활용될 것으로 본다. 예를 들어, 초전도 회로 방식과 이온트랩 방식은 각각 강점을 살려 상호 보완적인 역할을 할 수 있다는 것이다. 반면, ‘독점’한다는 입장에서는 특정 QPU 기술이 압도적인 성능 차이를 바탕으로 전체 생태계를 장악할 가능성이 있다고 본다.
● Panel Insight
현재 초전도 회로와 이온트랩 방식은 상업화에 가장 근접한 기술로 평가된다.두 기술 모두 2030년을 목표로 개발이 진행 중이다.
향후 3년 내에 주목할 만한 몇 가지 포인트가 있다. 먼저 중성원자(Neutral Atom) 방식은 2027년까지 100개 논리 큐비트 구현을 목표로 하고 있어, 흥미롭게 지켜보고 있다. 또 하나는 광자(Photonic) 방식이다. 2027년 말에 광자 방식의 양자컴퓨팅이 발표될 가능성이 제기되고 있다. 실제, 호주와 미국 정부는 각각 약 1조 원을 투자해 광자 기반의 양자컴퓨팅 센터를 설립 중이다. 일부 기업은 2027년까지 100만 큐비트 구현을 공언하고 있어, 실제 약속 이행 여부가 관심을 모으고 있다. 만약 계획대로 진행된다면 상업화 시점이 예상보다 크게 앞당겨질 수 있다.
이와 함께 2027~28년경 RSA 암호체계가 뚫릴 가능성도 제기되고 있다. 이는 양자컴퓨터의 실질적 문제 해결 능력을 입증하는 것임과 동시에, 다른 한편으로는 보안 위협을 촉발할 수 있다. 양자 암호 해독 기술과 방어 기술도 함께 발전하고 있으며, 기존 암호체계도 양자 기반으로 전환될 것으로 전망한다.
참고로, 중국은 국방 차원에서 양자 기술에 대한 투자 규모가 미국보다 큰 편이며, 양자통신 및 보안기술 발전이 주목받고 있다.
어떤 산업이 먼저 도입할까?
양자컴퓨팅 산업 발전 경로
양자컴퓨팅 산업은 실험적 활용 단계, NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum) 단계, 대규모 적용 단계, 보편적 활용 단계로 발전해 나간다. 현재 시점은 NISQ 시대의 초입 단계에 진입한 상황이다. NISQ는 현재 양자컴퓨팅이 처한 과도기적 단계를 표현하는 용어로, 잡음이 많은 중간 규모의 양자를 의미한다. 이는 완전한 오류 수정이 구현되기 전, 일정 수준의 오류를 감수하면서도 실험과 활용을 시도하는 과도기적 단계를 말한다. 현재 양자컴퓨팅 기술은 이 NISQ 단계에서 다양한 실험적 접근이 이뤄지고 있다. 2030년 이후부터는 점진적으로 ‘양자 우위’ 확산이 본격화될 것으로 전망한다.
▶ 양자컴퓨팅 산업 발전 경로
주요 산업별 양자컴퓨팅 도입 전망 및 주요 사례
양자컴퓨팅 도입 시, 산업별 특성에 따라 기회와 리스크가 다르며, 기술 발전 속도에 맞춰 활용 분야도 점진적으로 확대되고 있다. 현재 NISQ 초기 단계에서는 복잡한 문제 해결 수요가 높은 산업을 중심으로 파일럿 사례들이 나타나고 있다. 국방/안보 분야에서는 암호해독, 보안강화, 물류 최적화, 전략 시뮬레이션 등에 양자컴퓨팅을 활용하고 있으며, 금융산업은 투자 포트폴리오 최적화, 옵션 가격 산정 등 특화 솔루션에서 활용한다. 화학/에너지 산업에서는 촉매 및 신소재 개발, 시뮬레이션을 통한 공정 최적화에 양자컴퓨팅을 적용하고 있고, 제약/생명과학 분야는 분자 시뮬레이션을 활용해 신약 후보물질 발굴 속도를 높이고 있다.
4. 양자컴퓨팅, 어떻게 활용되고 있는가?
IT 산업 내 하이브리드 구조 부상
중장기적으로 고전 컴퓨팅과 양자컴퓨팅이 공존할 것
중장기적으로 고전컴퓨팅과 양자컴퓨팅은 하이브리드 구조로 공존할 것이라는 것이 업계의 지배적인 의견이다. 두 컴퓨팅은 성능에 따라 각각 활용할 수 있는 영역이 다르기 때문이다. 양자컴퓨팅은 특정 연산에서 강점을 가지지만, 고전컴퓨팅 대비 모든 영역에서 우수하지 않으며, 구동 상의 다양한 구조적 문제로 독립 실행형(Standalone) 작동은 사실상 불가능하다.
현재 양자컴퓨팅의 한계는 다음과 같다. 먼저, 계산 효율성이다. 양자컴퓨팅은 양자 중첩/얽힘을 활용한 특정 연산에서 우수한 반면, 일반적인 로직, 제어, 수치 연산은 고전컴퓨팅이 더 적합하다. 또한, 양자컴퓨팅의 큐비트는 ‘확률적’ 특성에 따라 오류가 필연적으로 발생한다. 이 때문에 반복적인 보정이 필요한데, QPU 단독으로는 해결할 수 없어 고전컴퓨팅 기반의 순환 구조 검증이 필수적이다. 마지막으로, 양자컴퓨팅은 양자 상태인 큐비트 통신을 위해 제어장치가 필요하며, 인터페이스 내 컨트롤에 대한 오버헤드는 고전컴퓨팅이 처리한다.
양자컴퓨팅-고전컴퓨팅의 하이브리드 구조는 아래와 같다. 오류 검증과 큐비트 제어 등에서도 고전컴퓨팅이 지원하는 형태로 운영된다. 이 하이브리드 구조는 앞으로도 오랫동안 유지될 것으로 전망한다.
▶ QC-CC 하이브리드 구조
주요 산업별 활용 현황
‘개념 검증’과 ‘실증 연구’ 진행 중
개념 검증은 실험 환경 속에서 개발된 기술이 이론적으로 작동 가능한지를 확인하는 단계이며, 실증 연구는 실제 상용 환경에서 개발된 기술이 목표 기능을 수행할 수 있는지를 평가하는 과정이다. 이때 내부 파일럿 테스트를 병행해서 수행한다.
양자 통신은 구현이 비교적 용이하고, 기존 인프라와 호환성이 높아 통신·보안 분야에서 실증 단계에 근접해 있다. 반면, 양자컴퓨팅 기반의 계산·시뮬레이션은 기술 복잡도가 높아 여전히 개념 검증 단계에 머물러 있다.
▶ 주요 산업별 활용 현황
● Panel Insight
기업들은 양자컴퓨팅의 상용화를 위해 꾸준히 노력하고 있다. 기술 성숙도가 아직 높지 않아 상업적 활용은 쉽지 않지만, 2027년경에는 실질적인 활용 가능성이 커질 것으로 예상되어 현재 많은 기업이 PoC(개념검증)를 진행 중이다. 양자컴퓨팅 알고리즘은 화학 분야 뿐 아니라 자동차 난류 해석, 자동차 디자인, 나노 입자 움직임 분석 등 시뮬레이션 분야로도 점차 활용 영역을 확장하고 있다. 향후 2~3년 내에 상업적 활용이 가능할 것으로 보고 있어, 기업들은 지금부터 인력 양성과 역량 확보에 힘써야 할 것이다.
사례 ❶ 양자컴퓨팅 시대의 에너지 산업 변화: e-메탄가스 제조
2030년에는 양자컴퓨터를 활용한 메탄 제조 비용 절감 효과가 지속가능한 항공 연료(Sustainable Aviation Fuel, SAF)를 중심으로 1~2조 원에 이를 것으로 예상되며, 2050년에는 e-메탄까지 포함되어 이보다 몇 배 더 큰 규모가 될 수 있다. 기존에는 수많은 촉매 후보 물질을 실험실에서 일일이 합성하고 테스트하는 데 막대한 시간과 비용이 소요됐다.
현재 양자컴퓨팅은 전기 분해와 화학 반응 시뮬레이션 분야에서 활발히 활용되고 있다. 특히 촉매 개발 및 최적화 과정에서 분자 구조 시뮬레이션과 반응 메커니즘 분석에 적용되어, 새로운 촉매 물질의 효율성을 빠르게 예측할 수 있다. 과거에는 100가지 촉매 후보를 시험하기 위해 100번의 복잡한 실험이 필요했으나, 양자컴퓨팅 덕분에 상위 5개 후보만 선정해 5번의 실험으로 최적의 고효율 촉매를 발굴할 수 있다. 게다가 기존에는 많은 촉매와 에너지를 소모하며 환경 문제를 일으켰는데, 이를 크게 개선한다. 전기 분해 과정에서는 고에너지 소모를 줄일 수 있다. 또한, 촉매 구매비용 절감할 수 있다. 촉매는 매우 고가이며, 공급망 안전성도 낮다. 양자컴퓨팅은 고성능 비철금속계 촉매의 가능성을 탐색하거나, 최적화에 필요한 시뮬레이션을 지원해 비용 절감에 기여한다.
▶ 현재의 SAF · e 메탄 제조 가치 사슬
사례 ❷ 양자컴퓨팅 시대의 신소재 개발 프로세스
양자컴퓨팅은 기존 AI 기반의 신소재 개발 프로세스를 한층 고도화하며, 시간과 공간의 제약을 넘어서는 신소재 개발 플랫폼을 제공하고 있다. 예를 들어, 과거 100년 간의 논문 데이터를 학습시켜서 인간이 상상할 수 없는 영역의 물질을 발견해내는 연구가 진행되고 있는 것이다. 대형 언어 모델(LLM)을 활용해 물질을 찾아내고, 물질 특성을 분석해 목표로 하는 정확한 신소재를 도출한다. 기존 AI 기술과 양자컴퓨팅의 버츄얼 스크리닝(Virtual Screening) 기술을 통합해, 기업이 요구하는 신소재를 효과적으로 개발하는 프로세스를 구현할 수 있다.
▶ 신 물질 On-Demand 발굴
주변 산업은 어떻게 변화하는가?
양자컴퓨팅 시대의 ‘반도체 제품 및 서비스’
양자컴퓨팅이 도입되더라도, 고전컴퓨터의 반도체는 당분간 공존할 것으로 전망된다. 다만 새로운 유형의 반도체, 양자 관련 제품, 위탁 생산 등 다양한 제품·서비스 관점에서 사업 기회가 창출될 것으로 보인다. 기존의 고전 반도체는 오류 보정 등 대규모 양자 연산을 지원하는 데 활용될 것이며, 양자 시대의 개선 반도체는 극저온 환경용 메모리와 제어칩 개발에 새로운 기회를 제공할 것이다.
▶ 반도체 산업 제품 및 서비스에 영향을 미칠 수 있는 변화상
극저온 환경용(Cryogenic) 반도체의 등장
현재 양자컴퓨터에서는 구동, 제어, 연산의 상당 부분을 기존 고전 컴퓨팅의 CMOS가 일반 상온에서 담당하고 있다. 이로 인해 물리적으로 양자컴퓨터의 극저온 환경과 CMOS의 상온 환경이 분리되며, 신호 지연, 노이즈, 냉각부하 등의 문제가 발생하고 있다. 이 문제를 해결하기 위해 제어, 연산 기능까지 극저온 환경에서 수행할 수 있도록 만든 것이 Cryo-CMOS(극저온 반도체)이다. Cryo-CMOS를 양자컴퓨터 내부에 탑재하면 신호 손실과 냉각 부담이 줄어든다.
Cryo-CMOS가 상용화되면, 전력 소모를 기존 대비 4배 절감할 수 있다. 또한, 상온 대비 15% 수준의 배선 저항 감소로 데이터 전송 속도도 크게 높일 수 있다. 정적 전력 소모(누설전류)도 거의 없는 것으로 검증되고 있다. 현재 글로벌 팹리스 기업, Rambus는 양자컴퓨팅용 메모리 시장을 선점하고자 MS와 10년 이상 협력하면서 극저온용 반도체 개발에 투자하고 있다.
▶ 양자컴퓨터 구동환경과 극저온용 반도체 등장 배경
▶ 반도체 가치 사슬 기업의 초저온 반도체 개발 현황
신규 Chipset의 등장과 기존 반도체 산업에의 영향
QPU 파운드리는 기존 반도체 파운드리 기업들과 협력해, QPU를 전문적으로 생산하는 ‘스페셜리스트’ 기업들에게 QPU 파운드리 서비스를 제공한다. 이로 인해 QPU 양산은 기존 고전 반도체 파운드리 산업의 새로운 수익원이 될 가능성이 높다. 다만, 양자 기반 신규 Chipset은 현재 연구 개발 단계에 있어, 고전 반도체를 대체할 수 있을지 여부를 판단하기는 이르다. 현재 양자컴퓨팅 스타트업인 PsiQuantum은 OMEGA(QPU) 양산을 위해 GlobalFoundries와 협력하고 있다.
5. 양자컴퓨팅, 어떻게 준비해야 하는가?
양자컴퓨팅 도입을 위한 접근법
‘탐색-발굴-검증-확장-상용화’의 5단계를 활용하라
양자컴퓨팅 도입은 명확한 단계별 전략과 장기적 안목을 필요로 한다. 핵심은 작게 시작하여 빠르게 학습하고, 성공과 실패의 경험을 축적하면서, 기술의 발전에 맞추어 투자를 기하급수적으로 확대해 나가는 것이다. 다음은 양자컴퓨팅 도입을 위한 5단계 접근법이다.
1단계. 전략을 탐색한다.
업계 동향과 기술 발전 상황 등 양자컴퓨팅 벤치마크 스터디를 선행한다. 그리고 장기 비전 및 목표를 설정해야 하는데, 양자컴퓨팅을 도입하고자 하는 목적을 정의하고 단계별 목표를 설정하며, 내부 교육 및 TFT를 구성하는 것이다. 1단계에서 중요한 것은 기술 성숙도를 냉철하게 평가해야 하고, 투자에 대한 타당성을 철저히 검토해야 한다.
2단계. 내부 진단 및 활용 사례를 발굴한다.
자사에 갖고 있는 문제와 기회를 진단하고, 기술적 타당성(필요한 큐비트 수, 알고리즘 존재 여부 등)을 검증한다. 또한, 데이터 및 인프라 차원에서 준비 상태를 점검한다. 최종적으로 우선순위 평가를 통한 활용 사례(Use Case)를 선정한다.
3단계. PoC(개념검증)를 실시한다.
먼저 양자컴퓨팅 서비스와 하드웨어를 확보한다. 이전에 살펴봤듯이, 문제의 종류에 따라 어떤 QPU를 선정하는지가 매우 중요하다. 선정된 후, POC 프로젝트를 설계(도메인 전문가, 양자기술 전문가, IT엔지니어 협업 필수)한다. 그리고 나서 소규모 시뮬레이션을 돌려본다. 어느정도 검증이 됐다면, NEXT 로드맵을 제시한다. 본 단계에서 챙겨야 할 것은 명확한 PoC의 성공 기준을 갖춰야 한다는 점, 그리고 기술 불완전성을 고려하여 계획해야 한다는 것이다.
4단계. 조직 및 인프라에 확장하는 단계다.
전담 조직을 구성하고, 클라우드 리소스를 어떻게 통합할 것인지 등 기술 인프라를 확장한다. 또한, 예산 편성, 성과 평가 지표, 윤리 및 보안 가이드라인 등 관리 체계를 확립한다. 이 단계에서는 레거시 호환성 및 사이버 보안 뿐만 아니라, QaaS를 활용하게 될 경우 IP 귀속 등 의존성을 어떻게 관리할 것인지 면밀하게 검토한다.
5단계. 상용화 단계다.
상용 서비스 및 제품에 통합하고, 모니터링 체계를 마련한다. 이때 ROI 분석을 지속적으로 수행하여 투입 대비 효과를 측정하고, 전략을 수정/보완하는 등 성능 지표를 지속해서 추적 관리한다. 또한, 벤더 로드맵이나 알고리즘 업데이트 등 업그레이드 계획을 마련한다. 이 단계에서는 서비스 및 제품 안정성을 확보하고 보안 신뢰성을 확보하는 것이 핵심이다.
● Panel Insight
양자컴퓨팅 도입을 계획하고 추진하는 데 있어서, 경영진의 강력한 의지 등 조직 차원에서의 확실한 지원이 중요하다.
▶ 양자컴퓨팅 도입을 위한 5단계
양자컴퓨팅 상업화 시기 전망 접근법
‘산업별 응용 분야의 수요’가 시장 성장의 주요 촉매가 될 것
양자컴퓨팅 기술을 상업화 관점으로 바라보기 위해서는 가치사슬을 이해하는 것이 중요하다. 아래 그래프에서 회색 막대기는 양자컴퓨팅 산업에서 발생하는 매출이고, 보라색 막대기는 수요자 산업(End-Use Segments) 전반에서 창출되는 매출이다. 어느 정도 시점을 지나면, 수요 측면에서의 부가가치는 양자컴퓨팅 공급업체 매출을 훨씬 상회할 것으로 전망한다. 즉, 수요 측면이 양자컴퓨팅 산업을 이끌어가는 주요 요인이 될 것이다.
따라서 산업계 및 학계, 산업별(vertical) 양자컴퓨팅 상업화 시기를 전망하기 위해서는 공급 측면과 수요 측면의 주요 변화 동인을 도출하고 평가하여, 시나리오 개발에 직접적 영향을 미치는 Key Driver를 설계하는 것이 중요하다.
▶ 양자컴퓨팅 Value Chain SAM(Serviceable Available Market) 전망
6. 종합 정리 및 제언
양자컴퓨팅은 더 이상 먼 미래가 아니다. 이제 중요한 건 이를 우리 기업만의 ‘전략’으로 만들고 ‘실행’에 옮기는 것이다.
