[193] 양자컴퓨터 기술 최신 동향 및 주요 기업

양자컴퓨터 기술 최신 동향 및 주요 기업 

 
양자컴퓨팅 기술이 급격히 발전하는 지금, 세계 각국의 기업들은 양자 표준화를 위한 치열한 경쟁을 벌이고 있습니다. 이 글에서는 주요 기술과 기업별 양자컴퓨팅 기술 현황, 그리고 향후 전망을 살펴봅니다.

목차

• 양자컴퓨터의 역사와 중요성
• 주요 양자컴퓨팅 기술 트렌드
• 주요 기업별 기술 현황
• 향후 전망 및 결론

양자컴퓨터의 역사와 중요성

양자컴퓨터는 기존 컴퓨터와는 전혀 다른 방식으로 연산을 수행합니다. 최초의 컴퓨터 애니악(1945년)은 약 18,000개의 진공관을 사용해 만들어진 이래, 컴퓨팅 기술은 급격히 발전해왔습니다.
1947년 트랜지스터 발명과 최초의 트랜지스터 기반 컴퓨터 TRADIC(1954년) 개발 이후 1980년대 PC 보급까지, 약 30년 동안 트랜지스터 관련 기술이 고도화되었습니다.
트랜지스터는 진공관 대비 작고 신뢰성이 높으며 전력소모와 발열이 적어 컴퓨터의 표준 부품이 되었습니다. 양자 컴퓨터의 기술 개발 속도가 빨라지기 위해서는 트랜지스터와 같은 표준화된 양자 소자가 필요합니다.
현재 양자컴퓨터는 1940년대 진공관 수준에 있다고 볼 수 있습니다.

주요 양자컴퓨팅 기술 트렌드

1. 구글 Willow와 양자오류정정(QEC)

양자 컴퓨터의 성능 향상을 위해서는 큐비트의 스케일링이 필수입니다. 하지만 현재 제어 및 측정 기술로는 큐비트의 숫자가 증가할수록 오류율이 지속적으로 증가합니다.
구글의 Willow는 양자오류정정(QEC) 기술을 활용하여, 큐비트의 숫자가 증가할수록 오류율이 낮아지는 양자 컴퓨터를 최초로 물리적으로 구현했습니다.

• Willow의 오류 역제인자(λ)는 2.31 ± 0.02로 코드 거리가 증가할수록 논리적 오류율이 대략 2배씩 감소
• 오류율 감소의 주요 요인으로 물리적 큐비트의 성능 및 제어 기술, 디코딩 기술 개선 등을 언급

이는 코드 규모가 커질수록 지연시간이 증가하고 물리적 큐비트가 대규모로 필요하다는 여전히 현실 문제를 해결할 수 있는 양자 컴퓨터를 만들기 위한 선결 과제가 됩니다.

2. 마이크로소프트의 토폴로지 양자컴퓨터

토폴로지는 물체를 찌그러뜨리거나 구부리는 등의 연속적인 변형에도 변하지 않는 성질을 연구하는 수학의 분야입니다. 공학에서는 이러한 토폴로지적 성질을 활용해 견고하고 오류에 강한 장치를 설계하고 제작하려는 시도가 있습니다.
토폴로지 양자컴퓨터는 양자 정보를 시스템의 토폴로지적 성질을 통해 보호하는 양자컴퓨터입니다:

• 양자 정보를 시스템 전체에 분산시켜 저장하여 국소적인 오류가 전체 정보에 영향을 미치지 못함
• 시스템 전체가 토폴로지적 성질을 활용하기 때문에 국소적인 물리적 조건 변화에도 덜 민감함

오류 내성이 강한 토폴로지 성질을 가진 큐비트를 기본 연산 소자로 사용함으로써 기존 양자 컴퓨터의 고질적인 오류 문제를 해결하려는 시도입니다.

3. 토폴로지 큐비트와 Majorana Zero Modes (MZMs)

토폴로지 양자컴퓨터는 토폴로지컬 큐비트를 활용하며, 토폴로지컬 큐비트는 Majorana Zero Modes (MZMs)와 같은 비아벨리언 애니온을 기반으로 작동합니다.
비아벨리언 애니온은 교환(braiding) 시 비가환적 특성을 가지고 있어 애니온 A와 B를 교환한 후 다시 B와 A를 교환하면 교환 순서에 따라 시스템의 양자 상태가 다르게 변합니다. 이러한 특성을 양자 게이트 연산(braiding 기반 연산)으로 활용하는 양자 컴퓨터입니다.
MZMs는 마요라나 페르미온의 일종으로, 토폴로지컬 초전도체에서 특정 조건(예: 반도체-초전도체 이종구조, 자기장 등)을 통해 생성되는 준입자로 양자 정보를 안정적으로 저장하고 처리하는데 중요한 역할을 수행합니다.

4. 분산 양자컴퓨팅(Distributed Quantum Computing)

분산 양자 컴퓨팅(DQC)은 단일 양자 칩에 표현될 수 있는 큐비트 수를 대규모로 확대하기 어려운 기술적 한계를 극복하려는 시도로, 양자 네트워크 기술을 활용하여 모듈식 소형 양자칩(QPU)의 클러스터링을 통해 양자 연산을 수행합니다.
양자 얽힘 현상과 전통적인 네트워크 방식을 통해 양자 칩을 연결하며, 연산을 담당하는 데이터 큐비트 외에 통신 큐비트가 필요합니다.
현재 DQC는 연구 단계 수준으로, 최신 논문에서 밝힌 QPU간 양자 얽힘의 충실도는 약 96.86%이며 양자 텔레포테이션을 통해 원격으로 구현된 CZ 게이트의 충실도는 약 86%로 매우 높은 오류 발생 확률을 가지고 있습니다.

 

주요 기업별 기술 현황

IBM (IBM US)

로드맵

• 고전 컴퓨터와의 협업을 통한 문제 해결이 필수적 → 하드웨어/미들웨어/소프트웨어 스택을 동시에 개발 중
• 하드웨어: 칩당 큐비트 수 증가 + 모듈 방식의 스케일링 병행, 양자 오류 정정은 2029년 도입 예정
• 미들웨어/소프트웨어: 알고리즘을 하드웨어 제약에 맞춰 재설계 → 회로 니팅 및 매핑 기술 개발

주요 업데이트

• 연결성 연구: 칩 간 연결(m-coupler, I-coupler) 기술을 접목한 시제품 Crossbill 개발(2024)
• 칩 내 원거리 큐비트 간 연결(c-coupler): '26년 시제품 Kookaburra 공개 계획
• 100×100 챌린지 달성('24.11): 100개의 큐비트, 깊이 100의 양자 회로를 하루 내에 정확하게 연산하는 양자 컴퓨터 개발 약속(2022년) 이행
  • 최대 5,000개의 2-큐비트 게이트 연산 가능: NISQ 알고리즘을 실행할 수 있는 수준에 도달
  • 다만 정확한 게이트 충실도(fidelity) 값은 미공개
• 회로 절단('24.12): 두 개의 Eagle 프로세서(127 큐비트)를 고전적으로 연결해 최대 142 큐비트의 양자 상태 생성, 서로 다른 QPU의 큐비트 간에 2-큐비트 게이트 연산 성공 → 다음 목표는 양자적 연결

연도별 개발 계획

연도	하드웨어	미들웨어	소프트웨어
2025	Flamingo 출시(156 큐비트), 고전 모듈 인터커넥트 → 양자적 모듈 인터커넥트로 변경, 이것으로 7개의 Flamingo 칩 연결 = 총 1,092 큐비트	시스템 분할 및 병렬 실행, 칩 간 연결성 증대, 하나의 칩에서 적은 알고리즘을 병렬 실행	-
2026	연산 가능 게이트: 5,000 → 7,500 게이트	병렬 양자 프로세세에 결친 회로 니팅	매핑의 개인화/자동화
2027	연산 가능 게이트: 7,500 → 10,000 게이트	고전 컴퓨터과 양자 컴퓨터 결합하는 워크플로우 최적화	사용자 사례별 특화 라이브러리 구축
2028	연산 가능 게이트: 10,000 → 15,000 게이트	-	-
2029	Starling 출시: 200 큐비트, 양자 오류 정정 기술 도입, 양자 모듈 인터커넥트 → 오류 정정 인터커넥트로 개선, 연산 가능 게이트: 15,000 → 1억 게이트	-	-
2033~	Blue Jay 출시: 2,000 큐비트, 연산 가능 게이트 수: 1억 → 10억 게이트	-	범용 양자 컴퓨팅 라이브러리 등장

아이온큐(IONQ US)

로드맵

• 알고리즘 큐비트(AQ) 개념 유지: 알고리즘 실행에 유용한 큐비트의 수, 전체 큐비트 수보다 1~2개 가량 적음
• Forte Enterprise: 이전 세대와 달리 표준 데이터센터 폼팩터로 생산
  • 2024년 6월 기준 생산량은 5대
  • 이전까지는 맞춤 제작 방식으로, 생산량은 제품당 1~2대 수준
• Tempo: 큐비트의 소자를 이터븀 이온(Yb+)에서 바륨 이온(Ba+)으로 전환하는 첫 양자컴퓨터

2025년 목표

• 게이트 충실도 향상: 2025년 말까지 논리 큐비트에서 2-큐비트 게이트 충실도 99.999% 이상
• 100개 이상의 물리 큐비트 체인에서 2-큐비트 게이트 충실도 99.9% 이상

마이크로소프트(MSFT US)

주요 업데이트

• 마요라나 페르미온 쌍을 큐비트로 하는 'Majorana 1' 칩 공개: 최초의 위상 초전도 큐비트 양자 칩
  • 현재는 8 큐비트 규모로, 향후 동일 칩에 100만 큐비트까지 확장 가능할 것으로 기대
• 다만 가능한 2-큐비트 게이트 연산의 종류, 회로의 깊이 등 실제 성능 데이터는 미공개
  • 페르미온 패리티 유지 시간은 1ms 이상이었으나, 결맞음 유지 시간은 공개하지 않음
• 구체적인 마일스톤 달성 목표 및 달성 시점 역시 명확하게 제시하고 있지 않음

개발 단계

단계	개발 목표
마일스톤 2	하드웨어로 보호되는 큐비트 구성, 큐비트 조작 방식 전환: 아날로그 → 디지털
마일스톤 3	얽힘 및 엣지(braid)의 품질 향상
마일스톤 4	멀티 큐비트 시스템, 여러 큐비트가 하나의 프로그래밍 가능한 QPU로서 동작할 수 있게 됨
마일스톤 5	신뢰할 수 있는 양자 시스템, 논리적 큐비트 기반의 양자 연산 시스템 달성
마일스톤 6	1조 분의 1(10^-12) 미만의 오류율로 100만~1억 rQOPS로 확장, *rQOPS: 초당 신뢰 가능한 양자 연산의 수

알파벳(GOOGL US)

주요 업데이트

• 최초로 물리적으로 구현된 임계 오류율이 낮아지는 초전도 양자 칩 '윌로우' 공개(2024.12)
  • 임계 오류율: 오류 정정을 반복하여 오류율을 줄일 수 있게 되는 시점, 이 지점을 넘으면 논리 큐비트를 구성하는 물리 큐비트 수를 늘림으로써 오류율을 줄일 수 있음
  • 105개의 물리적 큐비트를 가졌으나, 생성된 논리적 큐비트의 수는 1개(7*7 그리드 기준)로, 실용적 연산은 불가능한 수준
• 마일스톤 3 달성 시점 삭제: 2025년로 기재되어 있던 마일스톤 3 달성 시점이 삭제됨
  • 마일스톤 3: 장기 생존이 가능한 논리적 큐비트 달성 및 1,000 큐비트로의 스케일링

개발 단계

단계	개발 목표
마일스톤 3	논리적 큐비트 1,000개, 장기 생존이 가능한 논리적 큐비트, 논리적 큐비트 오류율이 1백만 분의 1 이하
마일스톤 4	논리적 큐비트 10,000개, 논리 게이트 생성
마일스톤 5	논리적 큐비트 100,000개, 스케일링, 100개의 논리 큐비트를 하나의 단일로 묶어 높은 충실도로 게이트 연산 달성, 3개 이상의 오류 정정 양자 컴퓨팅 활용 사례 확보
마일스톤 6	1백만 개 이상의 논리적 큐비트 제어, 논리적 큐비트 오류율 10조 분의 1 이하, 10개 이상의 오류 정정 양자 컴퓨팅 활용 사례 확보

    

GTC 2025 Preview: 전 세계 유망 양자컴퓨팅 기업 현황

GTC 2025 컨퍼런스에 참석 예정인 CEO와 기업들의 양자컴퓨팅 기술 현황입니다.

기업명	큐비트 종류	양자컴퓨터	시스템비고
D-Wave (QBTS US)	초전도 큐비트, 양자 어닐링 방식: 특정 문제만 해결 가능	Advantage: 5,000+ 큐비트	앨런 바라조 CEO, 유용한 양자컴퓨터 도입에 15~30년 걸릴 것이라는 젠슨 황 CEO의 발언에 대해 '이번의 방식에는 해당되지 않는다'며 반박
QuEra Computing	중성 원자(Rb, 루비듐) 큐비트, 광 집게(optical tweezer)를 이용한 큐비트의 동적 재배열	Aquila: 10 논리 큐비트(256 물리 큐비트), 2-큐비트 게이트 충실도: 99.5%	엔비디아의 CUDA-Q 플랫폼에 통합
Atom Computing	중성 원자(Yb, 이터븀) 큐비트, 광 집게(optical tweezer)를 이용한 큐비트의 동적 재배열	Phoenix(프로토타입): 100 물리 큐비트	마이크로소프트의 큐비트 가상화 기술을 통해 오류 정정 효율화
SEEQC	초전도 큐비트	-	초전도 칩로 패큐드리 운영, 엔비디아와의 협업: 디지털 방식으로 배운 낮은 레이턴시를 갖는 직접 연결 연구
Pasqal	중성 원자(Rb, 루비듐) 큐비트, 광 집게(optical tweezer)를 이용한 큐비트의 동적 재배열	Orion Alpha: 100+ 큐비트	Orion Alpha는 Azure에서 사용 가능, IBM의 Qiskit 생태계에 통합 예정
Infleqtion	중성 원자(Cs, 세슘) 큐비트	-	Scale: 최대 1,600 큐비트(정식 출시 x), 엔비디아의 CUDA-Q를 사용해 Scale 칩의 코드 실행을 에뮬레이션
PsiQuantum	광자 큐비트	처음부터 백만 큐비트급 양자컴퓨터 생산이 목표	글로벌파운드리의 Fab 8에서 양자 칩 제조, 브리스톨, 시카고에 대규모 양자 컴퓨터 시설 구축 예정(2025년 착공, '27년 완공 목표)
Quantinuum	이온 트랩(Yb+, 이터븀 이온) 큐비트, QCCD 아키텍처: 이온을 직접 이동시켜 멀리 떨어진 큐비트 간의 연산을 수행	H2: 56 물리적 큐비트(논리 큐비트 12개 이상)	2022년 엔비디아의 OODA(양자 최적화 아키텍처) 도입
Quantum Circuits	초전도 큐비트	Aqumen Seeker: 8 큐비트	IBM의 Qiskit으로 구동 가능
Rigetti (RGTI US)	초전도 큐비트	Novera: 9 큐비트	엔비디아의 CUDA-Q 플랫폼 도입
Alice & Bob	캣 큐비트: 초전도 회로내에서 광자들의 집합적 위상 상태를 큐비트로 사용	시스템 x, Boson 4: 광자 5개로 갖 큐비트 1개 구현	엔비디아의 DGX Quantum 도입

향후 전망 및 결론

양자컴퓨팅 기술은 현재 1940년대 초기 컴퓨터 시대에 해당하는 발전 단계에 있습니다. 하지만 IBM, 구글, 마이크로소프트, IonQ 등 주요 기업들이 적극적으로 투자하고 기술 개발을 추진하면서 빠른 속도로 발전하고 있습니다.
특히 주목할 만한 트렌드는 다음과 같습니다:

1. 오류 정정 기술의 진보: 구글의 Willow와 같은 오류 정정 기술 발전은 양자컴퓨터의 실용화를 앞당기는 중요한 돌파구가 될 것입니다.
2. 다양한 큐비트 구현 방식: 초전도 큐비트, 이온 트랩, 광자 기반, 중성 원자 등 다양한 방식으로 양자컴퓨터를 구현하려는 시도가 계속되고 있습니다.
3. 분산 양자 컴퓨팅: 단일 시스템의 한계를 극복하기 위한 분산 양자 컴퓨팅 연구가 진행 중입니다.
4. 하이브리드 접근법: 고전 컴퓨터와 양자 컴퓨터를 조합하는 하이브리드 접근법이 현실적인 솔루션으로 주목받고 있습니다.

향후 5-10년간 어떤 기술이 양자컴퓨팅의 표준으로 자리 잡을지 지켜볼 필요가 있습니다. 현재로서는 IBM, 구글, 마이크로소프트의 기술적 접근 방식이 각기 다르며, 어떤 방식이 궁극적으로 성공할지는 아직 불확실합니다.
양자컴퓨팅이 실용화되면 암호화, 신약 개발, 기후 모델링, 금융 최적화 등 다양한 분야에 혁명적 변화를 가져올 것으로 기대됩니다.
 
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