[퓨처테크 현장을 가다①] “월스트리트 투자자, 양자컴퓨터에 주목하는 이유는?”

양자포획 방식 나스닥 상장사 아이온큐 연구 현장 방문
퀀티움·샌드박스AQ 등 후발 주자들도 투자자 주목
한국, 양자기술 전문가 200여명 뿐
‘양자컴퓨터 선도기업 연합’ 뒤늦게 출범
미국 등 선진국과 기술 교류 통해 추격 박차

미국 동남부 노스캐롤라이나주 더럼시 중심가. 2017년 담배공장을 리모델링해 세워진 7층 높이 붉은 벽돌로 지어진 듀크퀀텀센터(DQC)가 있다. 듀크대 전자컴퓨터공학과 교수를 겸직하는 김정상 아이온큐(IONQ) 최고기술책임자(CTO)는 이 건물 4층 연구실에 들어서며 오렌지색 렌즈의 선글라스를 권했다. 양자컴퓨터에서 435㎚(나노미터) 광파장의 강한 청색 레이저가 나오고 있기 때문이다.

양자컴퓨터를 둘러싼 두꺼운 차광막을 들췄다. 엄지손가락 1개 마디 크기 티타늄 진공챔버가 보였다. 김 CTO는 “아이온큐가 만든 양자포획 방식 양자컴퓨터는 전원이 끊기지 않는 한 이론적으로 100만년 이상 지속돼 안정적”이라고 했다.

한국인, 세계 최초 이온트랩 양자컴 기업 창업 나스닥 상장

아이온큐는 세계 최초로 ‘이온트랩(양자포획)’ 방식의 양자컴퓨터 상용화에 성공한 회사다. 작년 10월 미국 뉴욕 나스닥 시장에 상장했다. 세계의 투자자들은 아이온큐가 개발하는 양자컴퓨터에 관심을 갖고 있다. 한국경제신문은 한국 언론 중 처음으로 아이온큐 핵심 연구시설을 방문했다.

연구실에는 20대의 양자컴퓨터가 있었다. 각 양자컴퓨터 진공챔버 내부는 지구와 화성 사이의 진공 수준인 1000억분의 1Torr(토르·진공 압력 단위, 1토르는 대기압의 약 760분의 1)의 초고진공 상태다.

진공챔버 내부에는 원소기호 70번 이터븀(Yb) 원자가 있다. 진공챔버에 서로 다른 파장을 가진 3가지 종류의 레이저를 쏘면 이터븀 원자에서 만들어진 양자가 잡힌다. 레이저를 이용해 프로그래밍 된 신호를 주고 받는다.

올해 초 21큐비트 양자컴퓨터 개발까지 성공한 아이온큐는 곧 31큐비트 양자컴퓨터를 대중에게 공개한다. 각 큐비트 사이의 거리는 3㎛(마이크로미터)에 불과하다. 전체 31개 큐비트을 일렬로 늘어뜨려도 머리카락 한 올(약 100㎛) 두께보다 얇다.

김 CTO는 아이온큐의 양자포획 방식 양자컴퓨터가 업계의 판도를 바꿀 것이라고 했다. 양자포획 방식의 정보유지 시간이 IBM 등에서 개발하는 초전도방식 양자컴퓨터 정보유지 시간보다 10배 이상 길고, 각 큐비트의 연결이 더 좋다는 설명이다. 아이온큐가 나스닥 상장에 성공해 투자자들의 이목을 끄는 이유다.

아이온큐는 양자컴퓨터 크기를 줄이는 연구도 병행하고 있다. 2010년대 수박 크기의 진공챔버를 현재 손가락 마디 크기로 줄이는 데 성공했다. 레이저를 포함한 각종 전자장비도 한 개의 칩으로 옮기는 연구를 하고 있다. 작은 방 하나를 가득 채우던 양자컴퓨터 1개가 현재 가로폭 50㎝의 일반 서버 크기로 줄었다. 김 CTO는 “비행기나 군함에 1대씩 양자컴퓨터를 설치해 사용하거나 각 대기업 데이터센터에서 양자컴퓨터를 두고 쓰는 시대가 곧 올 것”이라고 했다.

이어 “양자컴퓨터는 미국 행정부에서 정파를 초월해 추진하는 ‘백년지대계’”라고 했다. 지난 10년간 버락 오바마, 도널드 트럼프, 조 바이든 대통령 모두가 미국 양자컴퓨터 기업인을 백악관으로 초청해 기술에 대한 설명을 들었다. 그는 “한국도 서둘러 양자컴퓨터 연구를 하지 않는다면 세계 기술 수준을 따라가는데 크게 어려움을 겪을 것”이라고 강조했다.

구글·MS 등도 양자컴퓨터 스타트업 분사

투자자들은 아이온큐 외에도 양자컴퓨터 관련 기업들에 관심을 갖고 있다. 양자컴퓨터 시장이 작년 4억7200만 달러에서 2026년 17억7000만 달러로 연 평균 30.2% 이상 급성장 할 것으로 기대되기 때문이다.

퀀티움(Quantiuum)도 주목을 받는 회사다. 세계적인 우주 항공·자동제어기업 하니웰이 54%의 지분을 소유하고 있는 퀀티움은 지난 6월 20큐비트급 양자포획 방식 양자컴퓨터 개발에 성공했다. 하니웰을 이르면 올해 말 퀀티움 나스닥 상장을 계획하고 있다.

53큐비트급 양자컴퓨터 개발에 성공한 구글은 양자컴퓨터 스타트업 샌드박스AQ를 올해 초 별도로 분사시켰다. A는 인공지능(AI), Q는 양자(Quantum)의 약자다. 구글 모회사 알파벳의 전 회장 에릭 슈미트와 세일즈포스 창업자 마크베니오프 등이 개인적으로 투자했다. 샌드박스AQ 측은 ‘아홉자리 숫자’ 이상을 받아 수억 달러 이상의 자금을 유치했다는 사실을 알렸다.

마이크로소프트(MS)도 양자컴퓨팅 생태계 구축에 박차를 가하고 있다. MS는 현재 미국 캘리포니아 스테이션Q를 비롯해 전 세계 8곳의 양자컴퓨터 연구소를 운영하고 있다. 기후변화 등 분야에 특화된 양자컴퓨터 기술을 개발하고 있다. 특히 양자컴퓨팅 프로그래밍 언어 ‘큐샵’을 활용해 독자 생태계를 구축하는 한편 양자컴퓨터 전용 개발도구를 개발자들에게 무상으로 제공하고 있다.

한국 50큐비트 vs 미국 4158큐비트

2026년까지 한·미 양국이 개발을 목표로 하고 있는 양자컴퓨터 개발 목표다. 미국 IBM은 이미 작년 12월 127큐비트 양자컴퓨터를 상용화했다. 중국과학기술대도 작년 10월 66큐비트 양자컴퓨터 개발에 성공했다.

한국은 미국, 중국뿐 아니라 유럽연합(EU), 일본 등과 비교해도 양자컴퓨터 경쟁에서 크게 뒤처지고 있다. 실질적인 양자컴퓨터 개발뿐 아니라 관련 논문과 특허, 자본, 인력 모든 면에서 부족한 것이 현실이다.

전문가들은 정부 차원의 전폭적인 지원이 시급하다고 입을 모은다. 이에 정부는 50여개 기업으로 구성된 ‘양자컴퓨터 연합’ 출범을 지원하며 생태계를 조성하고, 국제 협업을 통해 기술 수준을 끌어 올리겠다는 복안이다.

한국과학기술정보연구원(KISTI)에 따르면, 2016~2020년 중국에서는 양자컴퓨터 등과 관련된 논문이 7030건이나 발표됐다. 미국에서는 5230건이 발표됐다. 같은 기간 한국에서 발표된 논문 건수는 705건에 불과했다. 10분의 1 수준이다.

연구의 양적 측면뿐만이 아니라 질적으로도 떨어졌다. 미국 논문의 평균 피인용 수는 24.5건, 중국의 피인용 수는 11.2건이다. 한국 논문들은 평균 10.6건 인용되는 것에 그쳤다.

특허를 기준으로 살펴보면, 같은 기간 미국이 가져간 양자컴퓨터 등과 관련된 특허는 478건이다. 중국은 76건, 일본 75건에 달했다. 이에 반해 한국은 45건으로 미국의 10분의 1수준, 중국과 일본의 절반 수준에 그쳤다.

연구 인력도 크게 부족했다. 양자컴퓨터 분야 핵심 인력은 미국의 경우 3526명으로 집계됐다. 중국은 3282명, 유럽연합(EU)은 3720명이었다. 일본은 622명이었다. 한국은 264명에 불과했다.

KISTI는 이러한 상황에 대해서 “한국 양자기술 전문가는 200여명 정도로 추산되고 있는데 이 정도 인력으로는 전 세계적인 양자기술 경쟁에서 선도국을 추격하기에 매우 부족한 상황”이라고 지적했다.

세계적인 양자컴퓨터 개발 경쟁에서 한국이 뒤처진 배경에는 정부의 뒤늦은 관심이 있다. 윤석열 대통령이 당선인 신분이던 지난 4월 서울 종로구 통의동 인수위원회에서 열린 과학기술교육분과 보고에서 “그래서 양자가 뭐냐”고 되물었다는 후문도 있다. 한국은 2019년 1월에야 ‘양자컴퓨팅 기술개발사업 추진계획’을 세웠다. 핵심 연구 인력을 2030년 1000명으로 늘리겠다는 것이 골자다. 내년도 연구개발예산은 약 900억원에 불과하다.

이에 반해 미국은 일찍부터 양자컴퓨터에 관심을 갖고 투자를 이어왔다. 버락 오바마, 도널드 트럼프, 조 바이든 대통령 등 정파를 초월해 최근 역대 미국 대통령은 양자컴퓨터 연구자를 백악관으로 초청하고 강연을 가졌다. 미국 정부는 2008년 ‘국가양자정보과학연방비전’을 수립하고 매년 2억 달러(2700억원) 이상 투자를 지속했다. 2018년에는 양자 이니셔티브 법을 통과시키고 5년간 12억 달러(1조6000억원)를 투입하기로 했다.

기업계도 반성해야 한다는 지적도 나온다. 한국 기업이 반도체, 디스플레이, 2차전지 등 현재 주력 산업에만 집중하다 양자컴퓨터 연구에 실기했다는 것이다. 김정상 듀크대 전자컴퓨터공학과 교수 겸 아이온큐(IONQ) 최고기술책임자(CTO)는 “한국이 디지털 쪽을 잘해서 그 기술에 안주하다 양자기술 투자에 소극적인 측면이 있다”고 했다.

서두르지 않으면 현재 벌어진 격차를 좁히기 어렵다는 분석도 있다. 김태현 서울대 컴퓨터공학부 교수는 “양자컴퓨터 분야는 선도자의 전략과 기술을 빠르게 쫓아가는 기존 패스트 팔로어 전략이 통하지 않을 것”이라고 경고했다.

이에 정부는 50여개 기업으로 구성된 ‘양자컴퓨팅 산업 선도기업 연합’의 출범을 지원하고 있다. 포스코홀딩스 LG전자 현대차 삼성디스플레이 등이 참여한다. 표준과학연구원과 한국전자통신연구원(ETRI), 국방과학연구소(ADD) 등 주요 연구기관과 KAIST 서울대 고려대 포스텍 등 대학이 함께 양자컴퓨터 관련 기술을 개발한다.

정부는 국제 협업도 강화 중이다. 과기정통부는 지난달 미국 워싱턴DC에 양자기술 협력센터를 열었다. 미국 백악관 과학기술정책실을 통해 국내 연구기관의 기술 애로사항을 전달하고 자문을 구하는 기능을 한다.

내년에는 유럽권역에도 양자기술 협력센터를 추가로 열 예정이다. 과기정통부 관계자는 “양자기술 분야는 국제 생태계 조성이 중요한 상황”이라며 “공동연구, 전문인력 양성, 핵심 부품 공급망 구축 등을 위해 기술 선도국과 파트너십을 강화해 나갈 것”이라고 했다.

더럼=김진원 기자