Article at a Glance

양자역학적 원리를 활용하는 양자컴퓨터는 고전 컴퓨터에서는 천문학적인 시간이 걸려도 풀 수 없던 복잡한 문제를 해결할 수 있어 금융, 제약, 보안, 물류 등 다양한 산업 분야에서 혁신적인 변화를 가져올 것으로 기대된다. 미국, 중국, 유럽연합(EU) 등이 양자컴퓨팅 분야를 선도하는 가운데 후발 주자인 한국은 세계적인 수준의 제조 역량과 비용 효율성을 무기로 삼을 수 있다. 한국 기업은 양자컴퓨팅 등 양자 기술 전반에서 요구되는 초정밀 부품을 제조 및 공급하는 Quantum-Grade ODM 역량을 선점하는 한편 양자 하드웨어와 소프트웨어의 균형 잡힌 협력과 독보적인 제조 경쟁력을 바탕으로 양자 기술 선도국이 어려워하거나 번거롭게 여기는 틈새시장을 공략해 글로벌 양자컴퓨터 밸류체인에서 핵심 지위를 확보해야 한다.

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올해 1월 열린 CES 2025에 양자컴퓨팅(Quan-tum Computing)이 주요 키워드로 선정되면서 전 세계의 이목이 집중됐다. 젠슨 황 엔비디아 최고경영자(CEO)가 양자컴퓨터 상용화 시점에 대해 언급한 직후 관련 주가가 요동친 가운데 CES 양자컴퓨팅 트랙에 초대된 전문가들은 일제히 그의 의견에 반박했다. 이미 양자컴퓨팅이 산업을 변화시키고 있는 실제 사례로 반론을 제기함과 동시에 무한한 잠재력에 대해 강조하고 나선 것이다. 실제로 젠슨 황의 회의적인 발언과 달리 엔비디아는 3월 열리는 연례 개발자 콘퍼런스인 GTC 2025에 ‘퀀텀 데이(Quantum Day)’를 신설해 자사 양자컴퓨팅 기술을 선보일 예정이다.

또 다른 양자컴퓨팅 선도 기업인 마이크로소프트는 ‘퀀텀 레디(Quantum Ready)’를 선언하며 기업들이 양자컴퓨팅 기술을 이해하고 실질적으로 활용할 수 있는 프로그램을 적극 제공하고 있다. 나아가 최근에는 세계 최초의 위상 초전도체 양자 칩 ‘마요라나 1’을 발표하며 100만 큐비트급 확장을 향한 중요한 첫걸음을 내디뎠다. 이는 양자 생태계 구축을 위한 기업의 움직임이 활발하며 새로운 기술 패러다임의 전환이 이미 시작됐음을 알리는 행보다.

나아가 세계 주요 국가들이 양자 기술 패권 경쟁에 적극 뛰어드는 양상을 봐도 양자 기술이 미래 산업의 필수 역량이라는 데는 이견이 없을 것이다. 이미 미국, 중국, 유럽연합(EU) 등이 양자컴퓨팅과 AI 기술의 융합을 주도하며 산업 혁신을 선도하려는 움직임을 보이고 있다. 이런 경쟁 속에서 한국은 선도국 대비 부족한 기술 역량을 보강함과 동시에 독보적인 경쟁력을 바탕으로 글로벌 밸류체인에서 핵심 지위를 확보한 이른바 ‘슈퍼 을’로 거듭나기 위한 노력이 필요하다. 빠른 속도로 상용화 단계에 접어드는 양자 기술의 발전 과정과 산업적 가치에 주목하고 미래 양자 산업의 판도를 주도할 전략을 들여다보고자 한다.


양자컴퓨팅, 미래 산업의 게임 체인저

유엔은 양자역학 탄생 100주년을 기념해 2025년을 ‘세계 양자과학기술의 해(IYQ)’로 지정했다. 현대물리학의 핵심 이론으로 여겨지는 양자역학이 정립된 후 이를 활용한 양자컴퓨터, 양자 통신 기술 등이 빠르게 발전하면서 현실에 바짝 다가왔다. 특히 지난해에는 IBM, 구글, 마이크로소프트 등 글로벌 양자 기술 선도 기업의 연구 성과가 연이어 발표됐으며 국내에서는 지난해 11월 양자기술산업법이 시행됐다. 또한 국내 최초로 연세대가 127 큐비트 IBM 양자컴퓨터를 도입했다. 지난해 양자 기술이 갑자기 부상한 것처럼 느껴지지만 물리학계에서 양자 이론은 20세기 초부터 꾸준히 연구돼 왔으며 실제 상용화 가능성을 단계적으로 모색해온 긴 역사를 갖고 있다.

그 역사를 살펴보면 양자역학이 본격적으로 체계를 갖춘 시기는 1920년대 이후다. 1925년 독일 물리학자 베르너 하이젠베르크는 미시 세계에서 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확히 결정할 수 없다는 이론인 ‘불확정성 원리’를 발표했다. 그리고 이듬해인 1926년에는 오스트리아의 이론물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 입자의 움직임과 상태를 파동으로 해석하는 이론인 ‘파동역학’을 발표하며 20세기 물리학에 커다란 획을 그었다. 이로써 미시 세계에서 관측되는 다양한 현상을 수학적으로 정리할 수 있는 이론적 근거가 탄탄해진 것이다.

양자 이론이 실용화 단계로 옮겨간 결정적인 분기점은 1947년 미국 벨연구소의 트랜지스터 발명이다. 컴퓨터를 비롯한 전자기기의 핵심 소재인 트랜지스터는 양자역학의 원리를 이용해 전류를 제어하는 기능을 수행한다. 레이저 기술, 원자력발전, 핵무기 개발 등에 토대가 되는 기술 역시 양자역학적 이론을 이해하지 않고서는 설명이 불가능하다. 이후 1983년 미국 유명 물리학자 리처드 파인만은 양자계를 연구할 때 기존 컴퓨터로는 막대한 계산량을 감당하기 어렵다며 양자계를 모방한 새로운 차원의 계산 도구를 이용하면 결과를 도출하기 쉬워질 것이라고 주장했다. 양자컴퓨터 개념을 처음 제시한 것이다. 하지만 어디까지나 개념일 뿐 실제 양자컴퓨터 연구는 한동안 이론적 가능성을 확립하고 시제품을 실험 제작하는 수준에 머물렀다.

실제 양자컴퓨터가 처음 하드웨어로 등장한 건 1995년 미국 표준기술연구원(NIST)이 개발한 전기장으로 이온을 띄우고 각 이온 스핀을 큐비트로 이용하는 이온 덫 양자컴퓨터였다.1 1기초과학연구원, ‘양자컴퓨팅의 세계, 기초과학이 토대 세운다’, 2017. 5. 26 닫기 이 밖에 초전도, 이온, 광자, 양자 어닐링 등 다양한 방법을 이용한 양자컴퓨터 하드웨어 개발 연구가 진행됐고 과거에 비해 상당한 진척을 이뤘다. (DBR Mini box Ⅰ ‘양자컴퓨팅의 종류’ 참고.) 일례로 초전도 기반 양자컴퓨터를 개발하는 IBM은 양자컴퓨터 성능에 중요한 연산 기본 단위인 큐비트(qubit) 수를 꾸준히 늘려왔다. 2019년 양자 프로세서 팰콘(27큐비트), 2020년 허밍 버드(65큐비트), 2021년 이글(127큐비트) 등 매년 2~3배씩 큐비트 성능을 높여왔고 2023년에는 1121큐비트의 콘도르를 공개하며 1000큐비트 시대를 열었다.

고전 컴퓨터의 연산 기본 단위인 비트(bit)는 0 또는 1 중 하나의 상태만을 갖는다. 반면 양자컴퓨터의 큐비트는 양자 중첩 현상으로 인해 0과 1, 두 상태가 동시에 존재할 수 있어 문제를 푸는 속도가 기하급수적으로 빨라진다. 쉽게 비유하면 고전 컴퓨터로 미로 찾기를 하려면 길을 하나하나 차례로 검증해봐야 하는 반면 양자컴퓨터는 모든 길을 동시에 시험할 수 있는 셈이다. 이런 특성으로 인해 고전 컴퓨터에서 천문학적인 시간이 걸려도 풀 수 없던 복잡한 문제를 양자컴퓨터로 해결할 수 있어 금융, 제약, 보안, 물류 등 다양한 산업 분야에서 혁신적인 변화를 기대할 수 있게 됐다. 이에 최근 5년간 폭발적인 연구 성과를 바탕으로 글로벌 대기업을 중심으로 양자컴퓨터 도입에 박차를 가하고 있다. 양자컴퓨팅의 주요 산업 적용 사례는 다음과 같다.

DBR mini box I 양자컴퓨팅의 종류

양자컴퓨팅의 기본 계산 단위인 큐비트는 어떻게 구현될까? 현재 큐비트를 구현하기 위해 여러 물리적 플랫폼이 연구되고 있다. 플랫폼마다 장단점이 있으나 공통적으로는 양자 연산 및 결괏값 도출에 혼선을 일으키는 양자 오류 제어, 대규모 양자컴퓨터로의 확장, 상용화에 따른 제조, 유지비 절감 등의 과제를 안고 있다. 어느 플랫폼이 향후 가장 빠르게 실용적인 양자컴퓨터를 구현하게 될지 현재로선 알 수 없다. 저마다 차별화된 장점을 갖고 있지만 궁극적으로는 △전체 큐비트 개수 △개별 큐비트의 높은 게이트 충실도i i양자 게이트가 의도한 대로 정확하게 작동하는 정도 닫기 △구조의 모듈성과 확장성 △오류 정정 수준 △양산 적합성 등 복합적인 평가 요소에 따라 진정한 승자가 가려질 것으로 보인다. 큐비트 구현 방식에 따른 양자컴퓨팅의 종류와 주요 기업을 소개한다. 1. 초전도 초전도 기반 양자컴퓨터는 초전도체의 특징을 이용해 큐비트를 구현하는 시스템을 일컫는다. 초전도체의 여러 특징 중 조셉슨 접합(Josephson junction)이 양자컴퓨팅에 활용되는데 이는 양자 터널링(Quantum Tunneling)ii ii입자가 에너지 장벽을 넘지 않고 통과하는 것 닫기 으로 인해 두 초전도체 사이 얇은 절연체를 통해 전류가 흐르는 현상을 의미한다. 이때 생기는 비선형성으로 인해 전자 상태의 에너지가 여러 가지로 나눠지고 그중 하위에 있는 2개의 양자 상태를 선택해 0과 1의 상태로 정의할 수 있는 큐비트 공간(Qubit Subspace)을 구성한다. 초전도 큐비트는 다른 물리적 플랫폼에 비해 결맞음 시간(Coherence Time)iii iii양자 상태를 안정적으로 유지해 양자컴퓨터가 높은 정확도로 계산할 수 있게 함 닫기 이 비교적 짧기 때문에 양자 얽힘 상태를 잘 제어하기 위해서는 극저온 환경을 만들어주는 희석 냉동기가 필요하다. 초전도 기반 방식은 큐비트를 구현하는 다른 방식에 비해 큐비트 확장성과 게이트 충실도 면에서 가장 앞서나가고 있는 큐비트 플랫폼으로 꼽힌다. 초전도 기반 양자컴퓨팅 분야 선도 기업으로는 구글, IBM, 아마존, 마이크로소프트가 있다. IBM은 1121큐비트라는 압도적인 큐비트 수로 구성된 콘도르(Condor) 칩을 2023년 공개했으나 큐비트 수가 늘어남에 따라 게이트 충실도가 낮아지는 문제를 겪고 있어 게이트 충실도를 높이는 방향으로 기술 로드맵을 마련하고 있다. 이 밖에 아마존웹서비스(AWS)의 브라켓(Braket)과 마이크로소프트의 애저 퀀텀(Azure Quantum) 등이 초전도체 기반 큐비트를 활용한 클라우드 양자컴퓨팅 서비스를 제공하고 있다. 2. 이온트랩과 중성원자 이온트랩은 고진공(UHV) 상태에서 전하를 띤 이온들을 전자기장으로 포획해 양자 계산에 활용하는 방식이다. 포획된 이온의 내부 에너지 중 안정적인 두 에너지 상태를 큐비트로 사용하며 양자 상태 제어를 위해 레이저 또는 마이크로파를 활용한다. 이온트랩 방식은 양자 잡음을 줄이고 안정적으로 작동시키기 위해 낮은 온도가 필요하지만 별도의 냉각 장치 없이도 레이저 냉각이라는 정교한 기술을 활용해 빠르게 온도를 낮출 수 있다. 이온트랩 기반 양자컴퓨터는 긴 결맞음 시간을 유지할 수 있고 단일 이온 큐비트iv iv전자기파 펄스를 이용해 이온의 양자 상태를 원하는 대로 조절하는 방식 닫기 의 경우 결맞음 시간이 최대 1시간 이상 지속됐다는 연구 결과도 있다. 단일 이온 큐비트와 이중 이온 큐비트v v이온들의 정전기적 척력이 서로의 운동 상태에 영향을 미친다는 것을 기반으로 큐비트를 제어함 닫기 모두 99% 이상의 충실도가 확인된다. 충실도가 높을수록 양자컴퓨터의 성능과 계산의 정확성, 실험 결과에 대한 신뢰성 등이 높아지고 정보 손실의 가능성은 줄어든다. 초고진공 환경 구축, 레이저 냉각 시스템 등의 높은 정밀도가 요구되나 이온트랩 기술 고유의 장점으로 인해 현재까지 가장 신뢰성 높은 양자컴퓨팅 플랫폼 중 하나로 인정받고 있다. 아이온큐와 퀀티넘은 미국 시장에서 주목받고 있는 이온트랩 방식의 양자컴퓨팅 기업이다. 특히 아이온큐는 2024년 여러 칩을 연결하는 모듈식 접근 방식을 통해 큐비트 수를 확장하겠다는 계획을 발표해 화제를 모았다. 중성원자 큐비트는 이온트랩과 많은 면에서 유사하다. 중성원자 기반의 양자컴퓨팅은 레이저 핀셋으로 다수의 원자를 포획해 큐비트 개수를 빠르게 늘릴 수 있어 확장성이 높다는 특징을 가진다. 현재 가장 주목받는 중성원자 기반 기업으로는 미국의 큐에라 컴퓨팅, 프랑스의 파스칼 등이 있다. 3. 광자 우리가 일상에서 접하는 모든 빛은 각자 독립된 광자(photon)로 이뤄져 있다. 큐비트를 구현하는 방식 중 하나인 광자는 환경과의 상호작용이 적어 결맞음 시간이 상대적으로 길다는 장점이 있다. 이에 양자컴퓨팅뿐만 아니라 양자 키 분배(Quantum Key Distribution)와 같은 정보통신 분야에서 활용되기도 한다. 광자 분야의 국내 성과로는 지난해 한국전자통신연구원(ETRI)이 개발한 세계 최초로 8개 광자를 제어할 수 있는 집적회로 칩을 꼽을 수 있다. ETRI는 칩 내 광자 큐비트 구현과 성능 실험에도 성공해 향후 광자 기반 양자컴퓨팅 분야의 선도 역할을 할 것으로 기대를 모았다. 해외 사례로는 미국 실리콘밸리에 위치한 양자컴퓨팅 스타트업 사이퀀텀(PsiQuantum)이 실리콘을 활용한 광자 기반 칩과 양자컴퓨터를 연구 및 생산하고 있으며 현재까지 총 10억 달러 이상의 투자를 유치한 것으로 알려져 있다. 또 지난해 일본 문부과학성 산하 종합연구기관인 이화학연구소(RIKEN), NTT, Fixstars Amplify, 도쿄대 등 산학연 합동 연구팀이 세계 최초의 범용 광자 기반 양자컴퓨터 개발에 성공했다. 4. 양자 어닐링 양자 어닐링이란 양자역학적 원리를 이용해 복잡한 최적화 문제를 해결하는 양자컴퓨팅 기법이다. 캐나다의 양자 어닐링 기반 양자컴퓨팅 기업 디웨이브(D-wave)는 금융사, 암 연구기관 등과 협력해 실생활에서 양자컴퓨터를 활용한 문제 해결을 연구했으며 NASA 등 우주항공 연구기관과 함께 최적화 문제를 탐구하고 있다. 한편 디웨이브가 개발한 양자컴퓨터는 보편적인 양자컴퓨터와 다른 구조를 가지고 있다. 양자 CPU에서 처리된 연산 결과를 외부 컴퓨터가 다시 읽는 구조라 디웨이브의 양자컴퓨터가 과연 양자 우월성(Quantum Supremacy)을 달성한 것인지에 대해서는 의견이 분분한 상황이다.

1. 소비재

소비재 분야는 방대한 고객 데이터를 분석해 개인화된 제품과 서비스를 제안하는 것이 핵심이다. 이를 위해 일부 기업은 양자컴퓨터 기반의 머신러닝 모델에 주목하고 있다. 소비자들의 구매 패턴이 시시각각 변하는 상황에서도 양자 알고리즘은 실시간에 가까운 추론과 추천이 가능해 소매 업계의 게임 체인저로 떠오르고 있다. 특히 캐나다의 양자컴퓨팅 기업 디웨이브(D-Wave)의 양자 어닐링 기술을 활용하면 상품 배열 후보군을 동시에 탐색해 최적의 조합을 빠르게 찾아낼 수 있는 것으로 알려져 있다. 또한 소비재 유통 회사의 효율적인 인력 배치를 위해 양자컴퓨팅이 적용된 사례도 있다. 캐나다 최대 유통그룹인 패티슨푸드그룹(PFG)은 디웨이브의 양자컴퓨팅 솔루션을 활용해 배송 기사 스케줄링을 자동화하는 자동 스케줄러를 개발해 주간 스케줄 작성 시간을 기존 대비 80% 절약하는 성과를 거뒀다. 2022년 말 실제 운영에 도입한 이 시스템은 북미 전역에 매장을 확대하는 PFG의 계획을 뒷받침하는 주요 역할을 한 것으로 평가된다.

2. 에너지

현재 에너지 산업은 재생 에너지 발전량이 일정하지 않은 상황에서 전력망을 안정적으로 운영해야 하는 과제를 안고 있다. IBM과 구글 등은 ‘양자 시뮬레이션(Quantum Simulation)’을 적용해 다양한 전력 수요와 공급 시나리오를 빠르게 분석하고 있다. 양자컴퓨터가 가진 막강한 연산 능력을 통해 예측이 어렵던 태양광, 풍력에너지의 변동성을 세밀하게 계산하고 최적의 전력 배분 방식까지 도출한다. 이를 통해 친환경 에너지 확대와 전력망 안전성이라는 두 마리 토끼를 잡으려는 시도가 활발하다. 시중에 보편화되고 있는 전기차 관련해서는 이차전지 개발과 연관된 양자 연구 사례도 등장하고 있다. 폴크스바겐은 초전도 기반 양자컴퓨터 회사 IQM와 함께 양자-고전 하이브리드 컴퓨팅 접근법을 적용한 리튬이온배터리의 에틸렌 카보네이트2 2유기화합물로 용매, 가소제, 전해질 등으로 사용됨 닫기 화학 반응 시뮬레이션을 진행했다. 양자와 고전 컴퓨팅을 결합한 이 연구는 전기차 배터리 성능 개선뿐만 아니라 광전지 시스템3 3태양광의 빛에너지를 광전 효과를 통해 전기로 변환하는 시스템 닫기 , 고온 초전도체 등 소재 과학 분야에서도 새로운 돌파구를 마련할 발판이 될 것으로 기대된다.

3. 신약 개발

신약후보물질 개발은 매우 오랜 기간의 연구와 막대한 비용이 소요되는 분야다. 이에 화이자와 IBM은 양자 화학 시뮬레이션(Quantum Chemistry Simulation)을 통해 약물과 단백질 간 결합을 정밀하게 예측하는 방안을 모색하고 있다. 양자컴퓨터가 분자 수준의 물리적 상호작용을 실제에 가깝게 재현함으로써 실험실에서 일일이 시험해야 했던 과정을 크게 단축할 수 있다는 기대가 나온다. 성공할 경우 신약 개발 프로세스 전체를 혁신할 수 있을 것으로 전망된다. 지난 2019년에는 바이오젠(Biogen)과 캐나다 양자컴퓨팅 전문 업체 1Q비트(1QBit)가 손잡고 양자를 이용한 분자 비교 기술을 개발했다. 이는 신약 개발 초기 단계에서 분자 구조를 그래프 등으로 변환해 가상으로 비교해서 신약후보물질의 치료 효과를 예측하는 중요한 파트다. 최근에는 미국 바이오기업 인실리코메디신과 캐나다 토론토대가 양자컴퓨팅과 AI의 융합 기술로 신약후보물질 발굴 속도를 1만 배 이상 향상시킬 수 있었다는 성과를 발표하기도 했다.

4. 제조

제조 분야에서 역시 양자 조합 최적화(Quantum Combinatorial Optimization)를 도입해 생산 공정과 물류 네트워크 관리를 획기적으로 개선하려는 시도가 이어지고 있다. 최적의 공급망 경로나 제조 설비의 생산성이 중요한 제조 기업에서는 수익성 개선을 위해 최적화가 매우 중요하다. 물론 최적화 문제 대부분은 고전 컴퓨터를 통해서도 충분히 해결할 수 있다. 예를 들어 주행거리 30㎞ 이상의 출퇴근길에 최적화된 경로를 찾는다면 구글맵을 이용하면 된다. 이렇게 비교적 간단한 문제에서는 그다지 큰 차이를 느끼지 못하지만 수행해야 하는 작업의 규모가 크거나 복잡하면 얘기가 달라진다. 결과가 약간만 좋아져도 성과가 크게 달라지기에 양자컴퓨팅 최적화 알고리즘이 산업의 지각변동을 일으킬 수 있다. 이에 주요 제조 기업은 양자컴퓨팅을 활용한 최적화를 앞다퉈 적용하고 있다. 대표적으로 폴크스바겐과 BMW가 디웨이브의 양자 어닐링 기술을 이용해 부품 조달부터 최종 조립 공정까지 복잡한 공급망을 최적화해 일정을 효율적으로 관리하고 있다.


한국 기업의 양자 산업 진출 전략

올해 초 과학기술정보통신부도 2025년을 양자 산업화의 원년으로 삼고 양자 전용 사업에 1980억 원의 예산을 투입하는 등 대규모, 중장기 양자 기술 개발 프로젝트에 본격 착수했다. 지난해 정부가 발표한 ‘퀀텀 이니셔티브’는 양자과학기술을 미래 기술 패권 경쟁을 좌우하는 핵심 전략 기술로 선정하고 투자 확대, 전략적 연구개발 추진, 인력 양성 및 플랫폼 구축, 글로벌 협력 강화, 산업화 촉진의 4대 전략을 통해 양자 기술 생태계 구축과 성장을 도모하는 내용을 담았다.

2024 양자정보기술백서에 따르면 2019년 이전까지 국내 양자 기술 연구개발(R&D)은 주로 기초 연구와 정부출연연구기관이 주도하는 소규모 프로젝트에 집중돼 연구 과제 수와 예산 규모 모두 선진국 대비 크게 부족한 상황이었다. 그러나 2019년을 기점으로 한 다수의 양자 기술 전용 사업 신설에 따라 관련 예산이 2019년 106억 원에서 연평균 87.5%씩 증가해 2022년에는 699억 원으로 크게 늘었다. 2024년 양자 기술 연구 관련 예산은 2023년보다 316억7200만 원 증가한 1285억 원으로 확대됐으며 그중 양자컴퓨팅은 63억4300만 원 늘어난 406억9300만 원이 배정됐다.

정부가 관련 예산을 늘리는 것은 양자 기술의 시장 규모가 커지고 있기 때문이다. 전 세계 양자 기술의 시장 규모는 약 15조1848억 원으로 추산되며 연평균 21.3%의 성장률을 유지해 2031년에는 58조6055억 원에 도달할 전망이다. 이 가운데 양자컴퓨팅 시장은 2024년 8조9155억 원 규모에서 연평균 20.1%의 성장세를 보이며 2031년에는 32조1202억 원에 이를 것으로 예상된다. 앞으로 양자컴퓨팅은 양자 기술 분야에서 양자 센싱, 양자 통신을 제치고 50% 이상의 점유율을 기록하며 기술 발전의 중추적인 역할을 할 것으로 기대된다.



이렇듯 급격히 발전하고 있는 양자컴퓨터 산업에서 제조업의 역할은 그 어느 때보다 중요하다. 양자컴퓨터의 핵심이라고 할 수 있는 양자 프로세서인 QPU4 4양자 프로세서라고도 하며 전자나 광자와 같은 입자의 동작을 사용해 고전 컴퓨터 내 프로세서보다 특정 부문에서 훨씬 더 빠른 계산 작업을 수행하는 양자컴퓨터의 두뇌 역할을 함 닫기 개발에 가장 집중하고 있으나 사실 QPU는 큐비트를 구현해 양자컴퓨터를 작동시키기 위한 수많은 장치 중 하나일 뿐이다. 실제 산업 분야에 양자컴퓨터를 사용하기 위해서는 지금의 컴퓨터와 같이 양자컴퓨터에 접근하기 쉬운 환경을 조성해야 한다. 이런 환경은 제조 역량이 뒷받침된 양산을 통해 가능하며 양자컴퓨터의 빠른 상용화를 위해서는 제조업의 중요성에 주목할 필요가 있다.

양자 기술은 고도의 정밀성과 첨단 공정이 요구되는 분야로 양자 장비의 부품 제조 역량이 무엇보다 중요하다. 이 때문에 전 세계적으로 제조업이 강한 국가들이 양자 기술 발전을 선도하고 있다는 사실은 놀라운 일이 아니다. 일례로 미국은 반도체, 광학, 전자 부품 등 첨단 제조 분야에서 쌓아온 기술력을 기반으로 양자 하드웨어 개발을 이끌고 있다. IBM, 구글, 인텔 등 글로벌 IT 기업들이 양자컴퓨팅 시스템 개발에 나서면서 제조 공정의 정밀도와 대량 생산 기술에서 확실한 우위를 보이고 있다. 이론 연구부터 실제 제품의 상용화까지 연결되는 제조 역량과 빠른 속도로 조성되고 있는 산업 생태계가 미국의 양자 기술 발전을 뒷받침하고 있다.

한편 정부 주도의 대규모 투자와 강력한 전자제품 및 반도체 제조 인프라를 보유한 중국은 제조 공정에서의 신속한 대응 능력과 거대한 생산 규모를 무기로 내세우고 있다. 중국은 전 세계에서 가장 많은 양자 기술 논문이 발표되는 나라로 이론 연구는 물론 양자 기술 관련 인프라 및 양자컴퓨팅 부품 개발에도 집중하면서 글로벌 양자 시장에서의 절대 강자를 노리고 있다. 광학, 정밀 기계, 전자 부품 등 제조 분야에서 세계적인 경쟁력을 갖춘 일본 역시 양자컴퓨팅 하드웨어 및 소재 개발 분야에서 독보적인 수준의 기술력을 자랑한다. 도시바, 도요타, 후지쓰, 도쿄일렉트론 등 제조 대기업을 포함해 각 산업의 대기업과 양자 기술 스타트업, 연구소로 구성된 협의체인 양자기술신산업창출협의회(Quantum STrategic industry Alliance for Revolution, Q-STAR)는 양자 기술 신산업 창출 및 소재·부품·장비 연구와 결과 공유에도 집중하며 국가 경쟁력을 높이기 위한 협력을 강화하고 있다. 이처럼 주요국의 양자 기술 경쟁이 가속화되는 가운데 국내 기업은 어떤 전략을 가지고 참전해야 할까?



1. Quantum-Grade ODM 역량 선점

제조업은 단순히 제품을 만들어내는 것 이상의 가치를 지닌다. 안정적인 생산 체계를 구축하고 이를 유지하는 일은 결코 쉽지 않다. 특히 주요 기술과 지식재산권(IP)을 외부에서 도입하더라도 최종소비자와 직접 연결되는 물리적 제품을 구현하고 지속가능한 생산이 가능하도록 체계를 만든다. 이런 제조업의 역할은 양자컴퓨터의 상용화를 앞당기는 데 중요하다. 특히 기존의 전통적인 ODM(Original Development Manufacturing)과는 차별화된 Quantum-Grade ODM은 양자 산업 전체의 미래를 선도할 주요 키가 될 것이다. Quantum-Grade ODM이란 양자컴퓨팅, 양자 통신, 양자 센싱 등 양자 기술 전반에서 요구되는 초정밀 부품을 제조 및 공급하는 역량을 의미한다. 양자컴퓨터의 복잡한 기술 요구 사항을 충족시키기 위해서는 제조 단계에서 양자 중첩, 얽힘 등 양자 현상을 구현할 수 있는 능력이 필수적이다.

Quantum-Grade ODM 사업자는 전 세계적으로 많지 않기 때문에 경쟁력 있는 위치를 선점할 수 있는 기회가 아직 열려 있다. 선진국은 생산 비용이 높아 고급 인력을 직접 고용하기 어려운 상황인 데 반해 국내 제조업체는 비용 효율성과 기술력을 겸비한 일명 스위트 스폿(sweet spot)에 위치해 있다. 세계적 수준의 높은 제조 역량을 바탕으로 양자컴퓨터 양산에 필수적인 부품을 생산할 수 있다는 점이 국내 제조 기업들의 강점으로 꼽힌다. 이런 제조 역량을 바탕으로 양자 기술 구현에 필요한 주요 제품들을 안정적으로 공급할 때 양자 기술 발전과 산업 경쟁력 강화에 국내 기업이 결정적인 역할을 함으로써 양자 기술 시장에서 탄탄한 입지를 다질 수 있을 것이다.

2. 양자 소프트웨어와 하드웨어의 긴밀한 협력

현재 양자 기술을 상용화하는 과정에서 양자컴퓨팅과 AI 기술을 융합해 시너지를 극대화하거나 고전 컴퓨팅과 양자컴퓨팅을 결합해 다양한 하드웨어와 소프트웨어를 양자 리소스와 연결해 활용할 수 있도록 하는 하이브리드 양자컴퓨팅 플랫폼을 지원하는 움직임이 구체화되고 있다. 대표적인 예로 슈퍼컴퓨터에서 양자컴퓨팅 프로그래밍을 지원하는 마이크로소프트의 ‘애저 퀀텀’과 엔비디아의 ‘CUDA-Q’를 꼽을 수 있다. 이는 기존 CPU나 GPU만으로 해결하기 어려운 복잡한 최적화와 시뮬레이션 및 머신러닝 작업 등을 더욱 빠르게 처리할 것이란 기대를 받고 있다.

위 사례에서 보듯 양자컴퓨터 산업의 특성상 소프트웨어와 하드웨어의 긴밀한 협력은 필수적이다. 국내 양자컴퓨팅 소프트웨어 기술은 2018년 전후로 시작된 정부 지원을 바탕으로 양자 정보 이론을 실용화하는 연구개발이 활발히 진행돼 왔다. 광학, 원자, 수학, 산업 분야 등 다양한 영역에서 복잡한 계산 문제를 해결하기 위한 양자컴퓨팅 소프트웨어 기술 개발이 진행됐으며 2023년부터 시작된 ‘양자 이득(Quantum Advantage)’ 프로젝트를 통해 항암제 개발이나 항만 물류 최적화 등 구체적 산업 수요에 맞춘 과제들이 선정돼 연구되고 있다.

다만 이제 막 양자컴퓨팅 관련 산업 표준과 활용 사례가 등장하기 시작하다 보니 실제 기술을 보유한 기업과 이를 활용하려는 사용자 또는 소비자 사이에는 상당한 간극이 존재하는 상황이다. 이 간극을 메우는 역할이 바로 Quantum-Grade ODM으로 사용자 맞춤형 하드웨어를 공급해 양자 하드웨어와 소프트웨어가 유기적으로 연결되도록 하는 것이 중요하다. 실제로 캐나다 양자컴퓨팅 기업 자나두(Xanadu)는 페니레인(PennyLane)을, IBM은 키스킷(Qiskit)이라는 양자 소프트웨어를 제공하면서 양자컴퓨팅 활용에 있어 사용자 또는 소비자와의 간극을 좁혀나가고 있다.

그러나 글로벌 시장에서도 양자 하드웨어와 소프트웨어 영역을 동시에 보유하는 사례는 많지 않다. 국내는 한국표준과학연구원(KRISS)이 양자 하드웨어를, 한국과학기술정보연구원(KISTI)이 양자 소프트웨어 연구를 주도하는 구도가 형성돼 있다. 양자 소프트웨어와 하드웨어의 긴밀한 협력을 위한 사업, 기술 전략 수립이 더욱 필요한 이유다. 한편 제조업체는 Quantum-Grade ODM으로서 안정적인 하드웨어를 공급하는 동시에 Quantum-Grade Publisher로서 소프트웨어 측면에서도 다양한 수학적, 공학적 또는 최적화 문제를 해결하는 솔버(solver)5 5컴퓨터 시뮬레이션 소프트웨어에서 수식 계산을 담당하는 부분으로 처리기(processor)라고도 부름. 닫기 를 함께 제공해 양자 산업 생태계를 견고히 다져야 한다. 델(Dell)과 인텔, 엔비디아의 관계처럼 하드웨어와 소프트웨어가 유기적으로 연결돼 IT 시장을 주도한 것처럼 양자 산업도 마찬가지다. 단순한 양자 기술 제공을 넘어 이런 통합적 전략이 미래 양자 산업에서의 경쟁력을 좌우할 핵심이 될 것이다.

3. 글로벌 양자컴퓨터 밸류체인 참여

해외시장을 향한 적극적인 진출 역시 중요한 변수다. 양자컴퓨터는 내수보다는 해외시장 규모가 비교할 수 없을 정도로 크다. 글로벌 네트워크와 시장 접근성은 국내 양자컴퓨팅 기업의 성장과 직결된다. 즉 제조업체가 단순한 기술 공급자를 넘어 글로벌 파트너와의 긴밀한 협력을 통해 양자 기술 시장에서의 입지를 강화할 때 더 큰 성장을 도모할 수 있다. 특히 독보적인 양자 플랫폼이 아직 정해지지 않은 상황에서 양자컴퓨터 산업 구조는 궁극적으로 기존 컴퓨터 제조 산업처럼 소수의 주요 기업이 시장을 지배하는 형태로 굳어질 가능성이 크다. 과거 컴퓨터 산업에서는 사이릭스, VIA, ABIT 등 수많은 CPU와 메인보드 칩셋 제조사들이 존재했지만 현재는 CPU 시장을 인텔과 AMD가 양분하고 메인보드 시장은 ASRock, ASUS, GIGABYTE, MSI가 장악하고 있다. GPU 시장은 엔비디아가 독점하고 있으며 메모리 시장 역시 삼성전자와 SK하이닉스가 주도하고 있다.

이런 시장 구조의 변화는 양자컴퓨터 산업에서도 동일하게 나타날 것으로 전망된다. 양자컴퓨터 상용화 시대가 도래하고 있는 지금 글로벌 시장에서 경쟁력을 확보하기 위해서는 한국이 가진 제조업 강점을 기반으로 양자컴퓨터 밸류체인을 면밀히 분석하고 비용 절감과 고품질 제품 생산을 통해 경쟁 우위를 확보해야 한다. 글로벌 양자컴퓨터 밸류체인을 자세히 살펴보면 국내 기업들이 월등히 잘할 수 있는 분야가 적지 않다. 전자 및 광학 부품, 전자제품 생산 등이 대표적이다. 이 분야에서 한국은 이미 기본적인 제조 인프라와 이를 뒷받침할 인력을 보유하고 있다. 이처럼 미국, 유럽 등 해외 양자컴퓨터 핵심 기업들이 어려워하거나 번거롭게 여기는 분야를 국내 기업이 틈새시장으로 공략한다면 독보적인 제조 경쟁력을 바탕으로 글로벌 밸류체인에서 핵심 지위를 확보한 이른바 ‘슈퍼 을’로 거듭날 수 있을 것이다.

현재 극복해야 할 과제는 우리의 제조 역량을 양자컴퓨터와 연계하는 것이다. 국내 기업은 양자컴퓨터 분야에서 상업적 성공을 이끌어본 경험이 충분히 축적돼 있지 않아 제조 역량을 양자컴퓨터 분야에 적용하는 데서 어려움을 겪고 있다. 과학기술정보통신부가 이 과제를 해결하기 위해 다양한 연구개발 지원사업을 제공하고 있는 만큼 전자 및 광학 부품, 전자제품 생산 등의 제조 인프라와 관련 인력을 보유한 기업들은 정부 지원을 바탕으로 Quantum-Grade ODM 역량을 선점해 글로벌 양자컴퓨터 밸류체인에 참여해야 한다.

양자컴퓨팅이 미래 산업 혁신의 주역임은 분명하다. 미국, 중국, EU 등 주요국들은 막대한 정부 지원을 기반으로 게임체인저가 될 양자컴퓨팅 관련 연구개발 성과와 산업 적용 사례를 착실히 쌓아가고 있다. 양자 기술 후발 주자인 한국이 세계적인 수준의 제조 역량과 비용 효율성을 무기로 양자 산업 생태계 확장에 집중한다면 글로벌 시장을 선도할 기회를 잡을 수 있을 것이다. 제조업의 경쟁력은 곧 양자컴퓨터 산업에서의 시장 지배력이다. 지금이야말로 ‘꿈의 컴퓨터’로 불리는 양자컴퓨터 시장에 선제적으로 대응해야 할 시점이다. 양자 하드웨어와 소프트웨어의 균형 잡힌 협력, 글로벌 시장과 밸류체인을 향한 전략적 접근과 제조업이라는 우리의 강점이 만나면 양자 산업의 혁신을 이끄는 주역으로 거듭날 미래를 그려볼 만하다. 양자컴퓨터 상용화 길목에 들어선 지금, 국내외 협력을 통해 차별화된 제조 경쟁력을 확보하고 혁신적인 생산 체계를 구축한다면 글로벌 양자컴퓨팅 밸류체인에서 한국 기업이 없어선 안 될 존재로 도약할 가능성은 충분하다.

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