AI에 대한 이야기로 뒤덮여 망각하기 쉽지만, 사실 우리는 컴퓨팅 분야에서 진행 중인 또 다른 혁명인 양자 시대의 도래를 목격하고 있다.
양자 컴퓨터는 현재 컴퓨터의 능력을 초월하는 여러 문제를 해결해 화학, 생물학, 물리학 분야에서 새로운 발전을 가져올 것으로 기대를 모은다. 양자 컴퓨터 옹호자들은 이 기술이 물류, AI, 암호화와 같이 일반적인 기업이 관심을 가진 문제도 해결할 수 있다고 주장한다.
올해 초만 해도 이와 같은 이야기들은 먼 미래의 일로 생각됐다.
시장조사기관 테크인사이트(TechInsights)의 반도체 산업 분석가 제임스 샌더스는 “AI가 관심 경제를 지배하고 있다. 이 상황에서 양자 컴퓨팅의 점진적 발전에 대중의 관심이 쏠리기는 어렵다”라고 말했다. 엔비디아 CEO 젠슨 황은 지난 1월 양자 컴퓨팅이 실질적으로 유용해지려면 아직 15년에서 30년은 더 걸릴 것이라고 말했다.
하지만 양자 컴퓨팅 업계는 2025년 한 해 동안 젠슨 황의 전망이 틀렸음을 증명했다. 여기서는 양자 컴퓨팅에서 중요한 돌파구와 이정표를 달성한 10가지 영역을 살펴본다.
1. 세계 최고 성능의 컴퓨터를 통해 양자 AI 실현
지난 11월 5일, 양자 기술 업체 퀀티넘(Quantinuum)은 현존하는 가장 정확한 상업용 시스템이라고 주장하며 새로운 헬리오스(Helios) 양자 컴퓨터를 정식 출시했다. 헬리오스 수석 설계자인 앤소니 랜스포드는 “헬리오스로 우리가 해낸 계산을 전통적인 컴퓨터로 수행하려면 우주의 모든 별을 끌어모아 에너지원으로 써야 할 것”이라고 말했다.
퀀티넘에 따르면, 헬리오스는 현존하는 가장 정확한 컴퓨터이며, 전통적인 컴퓨터처럼 프로그래밍할 수 있고 엔비디아 CUDA-Q 같은 업계 툴을 사용한다. 또한 소프트뱅크, JP모건 체이스 등의 초기 테스트 기업이 이미 “상업적으로 유의미한 연구”를 수행했다고 퀀티넘 측은 밝혔다. 하이브리드 양자-머신러닝 분야를 탐구 중인 암젠(Amgen), 연료전지를 연구 중인 BMW도 헬리오스 초기 테스트 기업이다.
퀀티넘 CEO 라지브 하즈라는 발표에서 “이제 기업에서 최초로 실제 세계에 영향을 미칠 수 있는 고정밀 범용 양자 컴퓨터를 이용할 수 있게 됐다”라고 말했다.
또한 퀀티넘은 NVQ링크(NVQLink)를 통해 양자 컴퓨팅과 생성형 AI의 결합을 가속화할 목적으로 엔비디아와도 손을 잡았다.
업계에서도 퀀티넘에 주목하는 분위기다. 피델리티가 합류한 최근 펀딩 라운드에서 퀀티넘은 총 8억 달러(약 1조 1,800억 원) 투자금을 유치했으며, 기업 가치는 100억 달러(약 15조 원)에 달한다.
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헬리오스 양자 컴퓨팅 플랫폼은 퀀티넘의 클라우드 서비스와 온프레미스 상품을 통해 제공된다.Quantinuum |
2. 기록적인 수준의 투자
2025년 투자금을 대거 유치한 기업은 퀀티넘만이 아니다. 광자 큐비트 업체 사이퀀텀(PsiQuantum)은 지난 9월 상업적으로 유용한 양자 컴퓨터를 만들기 위한 투자금으로 총 10억 달러를 조달해 세계에서 가장 많은 투자금을 받은 양자 스타트업이 됐으며, 그 결과 기업 가치도 70억 달러로 올랐다.
시장조사기관 스핀Q(SpinQ)에 따르면 2025년이 시작되고 9개월 동안 양자 컴퓨팅 업체들이 조달한 투자금은 37억 7,000만 달러(약 5조 6,000억 원)에 달해 2024년 전체의 13억 달러를 3배 가까이 앞질렀다.
상장한 양자 컴퓨팅 업체도 있다. 대표적으로 리게티(Rigetti), 이온Q(IonQ), 퀀텀 컴퓨팅(Quantum Computing), 디웨이브(D-Wave)가 있는데, 최근 이들 기업의 주가 변동성이 극심하다. 모틀리 풀(Motley Fool)에 따르면 지난 1년 동안 주가 상승율은 3,000% 이상이다.
큐에라 컴퓨팅(QuEra Computing)의 최고상업책임자인 유발 보거는 “대대적인 자금 조달은 단기적인 상업화 이정표에 대해 투자자들이 확신하고 있음을 시사한다. 업체와 고객사, 투자 기관은 양자 기술을 순수한 연구개발 수준이 아닌 배치 단계에 들어선 것으로 보기 시작했다”라고 말했다.
실제로 스핀Q에 따르면, 2025년 4월까지 각국 정부의 투자금은 100억 달러로, 2024년 전체 투자금인 18억 달러를 진작에 앞질렀다.
가장 최근에는 11월 6일 DARPA가 퀀텀 벤치마킹 이니셔티브(Quantum Benchmarking Initiative)의 다음 단계를 발표하며 2033년까지 유틸리티 규모의 컴퓨팅에 도달하기 위해 11개 양자 컴퓨팅 기업을 선정해 각각 최대 1,500만 달러의 자금을 지원한다고 밝혔다.
3. 상업적 응용
퀀티넘의 테스트 기업들을 비롯해 여러 기업이 양자 컴퓨팅에서 상업적 가치를 찾고 있다.
HSBC는 지난 9월 IBM의 헤론(Heron) 양자 컴퓨터를 사용한 채권 거래 예측 결과 전통적인 컴퓨팅만 사용했을 때보다 34% 개선됐다고 발표했다. 트레이딩에 양자 컴퓨팅을 활용한 공개적인 발표 사례는 이것이 유일하지만, 다른 금융사 역시 이미 비공개로 활용하고 있을 가능성도 있다.
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HSBC는 채권 거래 예측에 IBM의 헤론 양자 컴퓨터를 사용해 전통적인 컴퓨팅을 사용했을 때보다 34% 개선된 결과를 얻었다.HSBC |
3월에는 엔지니어링 업체 앤시스(Ansys)가 의료기기에서의 유체 상호작용 분석에 이온Q의 양자 컴퓨터를 사용해 전통적인 컴퓨팅보다 12% 빠른 결과를 얻었다.
3월에는 포드 오토산(Ford Otosan)도 디웨이브의 양자 어닐링 기술을 사용해 일정 스케줄링 시간을 30분에서 5분 미만으로 줄였다고 발표했다. 이는 단순한 테스트가 아니라 프로덕션에 배치된 사례다.
디웨이브의 양자 컴퓨터는 다른 양자 컴퓨팅 업체가 만든 범용 양자 머신과 달리 아날로그 컴퓨터에 더 가깝지만 물류, 공급망 관리에서 발생하는 것과 같은 최적화 문제를 해결하는 데 특히 뛰어나다.
웨이크필드 리서치(Wakefield Research)는 7월 디웨이브의 후원을 받아 최적화 분야의 비즈니스 책임자 400명을 대상으로 설문조사를 실시했다. 응답자 81%는 전통적인 컴퓨터로 할 수 있는 일은 이제 한계에 도달했다고 답했으며, 53%는 워크플로우에 양자 컴퓨팅을 도입할 계획을 이미 수립 중이라고 답했다. 22%는 양자가 초기 도입자들에게 “막대한 영향”을 미치고 있다고 답했으며, 또 다른 50%는 양자 기술이 업계에 지각변동을 일으킬 것으로 예상했다. 아직 양자 최적화를 구현하지 않은 응답자 중 31%는 향후 2년 내에 구현할 것으로 예상했다.
양자 컴퓨팅의 또 다른 새로운 사용례는 양자와 AI의 결합이다. SAS가 지난 5월 전 세계 비즈니스 책임자 500명을 대상으로 실시한 설문조사에서 60%는 양자 AI에 적극적으로 투자 중이거나 투자 기회를 찾고 있다고 답했다.
베인(Bain)의 보고서에 따르면 양자 컴퓨팅은 제약, 금융, 물류, 재료 과학 산업에서 최대 2,500억 달러의 시장 가치를 창출할 수 있다. 현재 양자 컴퓨팅의 전체 시장 규모는 10억 달러가 채 되지 않는다.
4. 실용적 이정표에 도달한 양자 오류 수정
위에서 예로 든 모든 발표 내용이 가능했던 이유는 오류 수정의 비약적인 개선에 있다.
문제는 큐비트가 매우 민감하다는 점이다. 진동, 온도 변화를 비롯한 모든 것이 큐비트 오류를 초래할 수 있다. 양자 컴퓨팅 업체는 이 문제를 해결하기 위한 방편으로 백업 큐비트를 추가했지만, 양자 컴퓨터가 커질수록 오류율은 더 빠른 속도로 증가해 그 간극을 좁히는 것은 사실상 불가능했다.
연구자들은 지난 몇 년 동안 이 문제를 해결하기 위해 개별 큐비트의 오류 내성을 강화하고 오류 수정 메커니즘을 개선하는 등 여러 방법을 모색했다. 2025년에는 오류 수정과 관련된 발표가 쏟아지며 큰 발전을 이뤘다.
올해 오류 수정과 관련된 발전을 발표한 기업으로는 큐에라(매직 스테이트), 앨리스 앤 밥(Alice & Bob), 마이크로소프트, 구글, IBM, 퀀티넘, 이온Q, 노드 퀀티크(Nord Quantique), 인플렉션(Infleqtion), 리게티(Rigetti) 등이 있다.
시카고대 교수이며 ACM(Association for Computing Machinery) 펠로우인 프레드 총은 “이제 매우 안정적으로 탈출 속도에 진입했다고 생각한다. 양자 디바이스들이 상당히 발전했고 오류 수정 코드도 개선됐다”라고 말했다. 총은 인플렉션의 최고 양자 소프트웨어 과학자이자 퀀텀 서킷(Quantum Circuits)의 자문위원회에서도 활동한다.
총은 대규모의 유용한 양자 컴퓨터를 만드는 일은 더 이상 물리학 문제가 아니라 공학 문제라고 말했다. 공학은 기초 과학보다 더 안정적으로 발전하므로 양자 업체들은 돌파구가 나올지 안 나올지 모를 과학적 혁신을 더 이상 가만히 기다리지 않는다.
대표적으로 IBM은 지난 6월 업데이트된 양자 로드맵을 발표하며 2029년까지 대규모 내결함성 양자 컴퓨터를 구축할 계획임을 밝혔다. 이온Q 역시 2028년까지 1,600개의 논리 큐비트를 달성하고 2029년에는 8,000개, 2030년에는 8만 개를 달성한다는, 기존보다 앞당긴 로드맵을 6월에 발표했다.
5. ‘양자 우위’ 클럽에 합류하는 기업들
양자 컴퓨팅은 여전히 초기 단계에 있기 때문에 새로 나온 작은 양자 컴퓨터가 거대한 전통적인 슈퍼컴퓨터를 성능에서 앞서면 큰 뉴스가 된다. 올해 여러 기업이 이 ‘양자 우위’ 클럽에 합류했다.
디웨이브는 지난 3월 “현실 문제에 대한 양자의 계산적 우월성을 세계 최초로, 유일하게 입증했다”라고 발표했다. 디웨이브는 자기 재료 시뮬레이션 문제 해결에서 자사의 어닐링 양자 컴퓨터가 세계 최고 성능의 전통적인 슈퍼컴퓨터 중 하나보다 앞섰다고 주장했다.
중국 과학기술대학 과학자들은 지난 8월 지우장(Jiuzhang) 4.0 광자 양자 컴퓨터가 양자 우위를 달성했다고 보고했다. 범위가 매우 좁고 용도가 제한적인 가우시안 보손 샘플링 작업의 결과이긴 하지만, 중국 연구팀은 같은 작업을 슈퍼컴퓨터 엘 카피탄(El Capitan)이 수행하려면 우주 나이보다 더 오랜 시간이 걸릴 것이라고 주장했다.
이온Q는 10월에 신약 개발과 공학 응용에서 이미 양자 우위를 달성했다고 밝혔으며, 또 다른 발표에서는 화학 시뮬레이션에서 전통적인 방법을 능가했다고 주장했다.
10월에는 구글도 검증 가능한 한 테스트에서 자사의 양자 컴퓨터가 세계에서 가장 빠른 전통적인 슈퍼컴퓨터보다 1만 3,000배 더 빠른 속도를 기록했다고 발표했다. 구글에 따르면 이 같은 일은 역사상 처음이다. 구체적으로 말하면, 누구나 직접 테스트할 수 있는 검증 가능한 알고리즘으로 이와 같은 테스트가 실행된 것이 처음이다.
다만 어느 기업이든 자사 컴퓨터를 가장 돋보이게 하는 벤치마크를 사용하기 때문에 결과를 직접적으로 비교하기는 어렵다.
카네기 멜론 대학교 테퍼 경영대학원의 스리다르 타유르 교수는 “모두가 하드웨어와 소프트웨어 트릭을 조합해 문제를 해결한다. 정확히 어떤 작업을 했는지, 어느 전통적인 컴퓨터를 사용했는지, 전통적인 컴퓨터로는 시간이 얼마나 걸렸고 양자 컴퓨터로는 얼마나 걸렸는지 등이 기록된 일련의 벤치마크가 필요하다. 그런 게 있으면 좋겠지만 지금까지는 없었다. 제대로 된 검증도, 비교도 없는 상황”이라고 지적했다.
올해 업계 벤치마크 모음을 발표하 바 있는 IBM의 연구팀은 지난 7월 양자 우위 주장을 정확히 평가하기가 매우 어려운 이유를 설명하는 논문을 발표했다. IBM은 진정한 양자 우위를 위해서는 업계의 합의가 필요하다고 지적하며 2026년 말 이전에 이 같은 합의가 도출될 것으로 예상했다.
연구팀은 IBM 자체가 일부 측면에서 이미 전통적인 컴퓨터를 추월했다며 “양자 컴퓨팅은 가장 정확한 전통적인 알고리즘으로도 수행할 수 없는 계산을 수행할 수 있는 유용한 과학적 도구로 이미 발전했다. IBM은 파트너들과 함께 가장 앞선 전통적인 근사법에 견줄 만한 수준의 폭넓은 실험을 양자 컴퓨터에서 수행하고 있다”라고 밝혔다.
예를 들어 IBM은 지난 6월 RIKEN과 공동으로 후가쿠 슈퍼컴퓨터와 함께 IBM 퀀텀 헤론 프로세서를 사용해 전통적인 컴퓨터만으로는 불가능한 수준에서 분자를 시뮬레이션했다. IBM은 “이는 유틸리티 규모”라고 말했다.
6. 크기와 큐비트 유형에서 이룬 새로운 하드웨어 혁신
마이크로소프트의 새로운 마요라나 1(Majorana 1) 칩, 아마존의 새로운 오셀롯(Ocelot) 칩을 비롯해 올해 많은 기업이 하드웨어 측면의 혁신을 발표했다. (구글은 2024년 12월에 새로운 윌로우(Willow) 칩을 발표했다.)
그러나 큐비트 수 측면에서 올해 가장 큰 발표는 캘리포니아 공과대학의 6,100큐비트 어레이다.
캘리포니아 공과대학 연구팀은 9월 발표에서 레이저 빔을 1만 2,000개로 쪼개 6,100개의 세슘 원자를 포획했다고 설명했다. 이 큐비트들은 이전 어레이보다 10배 더 긴 13초 동안 중첩을 유지했으며, 연구팀은 원자 이동까지 실현할 수 있었다. 큐비트를 이동시킬 수 있는 역량은 더 효율적인 오류 수정의 가능성을 열어주며, 양자 컴퓨터에 대한 중성 원자 접근법의 핵심적인 장점이다.
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캘리포니아 공과대학 콘 H. 룽이 6,100개의 원자를 포획하는 데 사용한 기구를 다루고 있다.Caltech/Gyohei Nomura |
7. 대세는 양자와 전통적 컴퓨터의 하이브리드
성능을 끌어올리기 위해 양자 컴퓨터와 전통적인 컴퓨터를 결합한 기업은 IBM만이 아니다.
엔비디아도 적극적으로 가세했다. 엔비디아는 10월 말 GPU를 양자 프로세서와 결합해 양자 슈퍼컴퓨터를 만들기 위한 개방형 시스템 아키텍처를 발표했다. NVQ링크라는 이 새로운 플랫폼은 엔비디아의 CUDA-Q 양자 소프트웨어 플랫폼과도 통합된다.
파트너 기업에는 앨리스 앤 밥, 애니온 컴퓨팅(Anyon Computing), 아톰 컴퓨팅(Atom Computing), 디락(Diraq), 인플렉션, 이온Q, IQM 퀀텀 컴퓨터(IQM Quantum Computers), ORCA 컴퓨팅, 옥스퍼드 퀀텀 서킷(Oxford Quantum Circuits), 파스칼(Pasqal), 콴델라(Quandela), 퀀티넘(Quantinuum), 퀀텀 서킷(Quantum Circuits Inc.), 퀀텀 머신(Quantum Machines), 퀀텀 모션(Quantum Motion), 큐에라, 리게티, SEEQC, 실리콘 퀀텀 컴퓨팅(Silicon Quantum Computing) 등 양자 컴퓨팅 업계의 주요 기업들, 그리고 키사이트 테크놀로지스(Keysight Technologies), 큐블록스(Qblox), 큐빅(QubiC), 취리히 인스트루먼츠(Zurich Instruments)를 포함한 양자 제어 시스템 구축업체도 포함돼 있다.
딜로이트의 정부 및 공공 서비스 부문 CEO이자 양자 컴퓨팅 책임자인 스콧 부흘츠는 “양자 컴퓨터로 해결할 것으로 예상되는 과학 및 화학 문제를 고성능 컴퓨팅으로 해결하고 있다. 서로 소통하고 각자 강점이 있는 부분에 집중하는 것은 좋은 생각”이라고 말했다.
8. 큐비트 유형의 증가
양자 컴퓨팅에 대한 여러 접근 방식 중 무엇이 승자가 될지 2025년에 판가름날 것으로 기대한 사람이 있다면 아마 실망할 것이다. 초대형 샹들리에처럼 생긴 ‘초전도 회로’가 여전히 주요 기술로 자리를 지켰지만 다른 접근 방식도 많은 발전을 이뤘다.
DARPA의 퀀텀 벤치마킹 이니셔티브에는 중성 원자 큐비트를 사용하는 기업 2곳(아톰 컴퓨팅과 큐에라), 실리콘 스핀 큐비트를 사용하는 기업 4곳(디락, 포토닉(Photonic), 퀀텀 모션, 실리콘 퀀텀 컴퓨팅), 초전도 큐비트를 사용하는 기업 2곳(IBM, 노드 퀀티크), 포획 이온 큐비트를 사용하는 기업 2곳(이온Q, 퀀티넘), 그리고 광자 큐비트를 사용하는 기업 1곳(자나두(Xanadu))이 포함된다.
사이퀀텀은 지난 2월 광자 양자 프로세서를 공개했다. 위상 큐비트 접근 방식을 사용하는 마이크로소프트의 새로운 마요라나 1 칩과 같이 완전히 새로운 유형의 큐비트도 등장했다.
아마존의 오셀롯 칩은 캣 큐비트와 트랜스몬 큐비트를 결합한 하이브리드 접근 방식을 사용한다. 퀀텀 서킷도 새로운 접근 방식을 따르는데, 초전도 회로 큐비트지만 ‘듀얼 레일’ 제어 메커니즘을 갖췄다.
퀀텀 서킷의 제품 책임자인 안드레이 페트렌코는 “듀얼 레일 접근 방식을 통해 신뢰성이 매우 높은 컴퓨터를 만들었다. 포획 이온과 중성 원자의 신뢰성 벤치마크와 초전도 플랫폼의 속도를 결합한 형태”라며 “듀얼 레일은 엔진 점검 경고등과 같다. 다른 어떤 양자 컴퓨터도 오류 발생 시 실시간으로 알려주지 않지만 퀀텀 서킷 컴퓨터는 알려준다”라고 말했다.
퀀텀 서킷은 10월에 엔비디아와의 파트너십과 CUDA-Q 지원을 발표했으며, 2월에는 신약 개발과 관련된 개념 증명 프로젝트를 발표했다.
9. 기업의 주요 관심사는 양자 내성 암호
구글 연구팀은 지난 5월 오류 수정과 양자 연산 분야의 발전에 더 효율적인 알고리즘을 결합해 RSA 암호화를 20배 더 쉽게 해독할 수 있도록 했다. 즉, 기업에서 새로운 양자 안전 암호화 알고리즘으로 전환할 시간이 생각만큼 많이 남지 않았을 수도 있다.
부즈 앨런 해밀턴(Booz Allen Hamilton)의 선임 양자 기술자인 이사벨라 벨로 마르티네즈는 “양자 내성 암호화 팀이 긴급 경보를 울리고 있다”라고 말했다. 업계가 예상보다 빠르게 내결함성 양자 컴퓨터 개발에 다가서면서 시한이 빠르게 다가오고 있기 때문이다.
마르티네즈는 “양자 내성 암호화를 생각해본 적이 없는 기업이라면 우려할 만한 상황이다. 다른 누군가가 해주거나 마이크로소프트가 알아서 해줄 것이라고 막연히 생각하기 쉽지만 자신이 사용하는 모든 기술에 대해 스스로 생각해야 한다”라고 말했다.
향후 사이버 공격자가 양자 컴퓨터를 사용해 현재의 표준 암호를 해독할 수 있게 된다는 사실만 생각해서는 안 된다. 공격자는 나중에 해독하기 위해 암호화된 데이터를 지금 수집해 둘 수도 있다.
다행히 현재까지 5개의 NIST 인증 양자 내성 알고리즘이 있다.
10. 초전도 양자 회로로 노벨 물리학상 수상
마지막으로, 3명의 과학자가 초전도 양자 회로에 대한 연구 성과로 2025년 노벨 물리학상을 받으며 양자 컴퓨팅 분야의 기념비적인 해를 마무리했다. 1980년대에 수행된 이 연구는 양자 효과가 대규모 환경에서도 나타날 수 있음을 입증했다. 즉, 극저온 초전도 회로는 마치 하나의 원자 또는 아원자 입자와 같이 단일 양자 객체로 작동할 수 있다는 것이다.
이들이 올해 노벨상을 수상했다는 사실은 오늘날 양자 컴퓨터와 센서에 있어 이 연구가 얼마나 중요한 역할을 했는지를 보여준다. 스웨덴 왕립과학아카데미에 따르면, 노벨상은 “인류에 가장 큰 혜택을 가져온 업적”에 수여된다.
시카고 대학의 프레드 총은 “초전도 회로는 구글과 IBM이 만든 컴퓨터를 포함한 많은 최첨단 양자 컴퓨터뿐만 아니라 양자 센서의 기반 기술이기도 하다. 초전도 회로는 원자보다 훨씬 크며 일반적으로 양자 효과를 기대하는 크기보다 훨씬 더 크다. 이번 노벨상은 바로 이 거시적 규모에 대한 인정으로 수여된 것”이라고 말했다.
2025년이 양자 분야에서 이와 같이 중요한 해가 될 것이라고 누가 예상이나 했을까? 적어도 UN은 했다. UN은 2024년 중반에 2025년을 국제 양자 과학 및 기술의 해로 선언했다.
지금까지의 흐름을 보면 정확한 예측이었다.
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Maria Korolov editor@itworld.co.kr
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