양자컴퓨팅의 진화: 글로벌 동향과 국내 연구진 현황(2025년 기준)

1. 요약

• 2025년 5월 20일 기준으로, 양자컴퓨팅 기술은 전 세계적으로 빠르게 발전하고 있으며, 그 중심에는 IBM과 구글 등의 글로벌 기업들이 있다. 이미 2024년에 IBM은 433큐비트 칩 '오스프리'를 공개하며 4,000큐비트 이상의 양자컴퓨터 개발 목표를 세웠으며, 이는 양자컴퓨터의 성능 향상에 있어 중요한 이정표로 평가된다. 구글도 2019년에 발표한 53큐비트 칩 '시카모어'를 시작으로 큐비트 수 증대를 위한 다양한 연구를 진행 중이다. 이러한 기술 발전은 양자 알고리즘의 복잡한 계산을 효율적으로 수행할 수 있는 가능성을 열어주고 있다.

• 양자컴퓨팅 기술은 크게 디지털과 아날로그로 나뉜다. 디지털 양자컴퓨팅은 양자 게이트를 사용하여 문제를 해결하는 전통적인 방식으로, 고전 컴퓨터의 개념과 유사하다. 반면, 아날로그 양자컴퓨팅은 양자 상태의 직접적인 조작을 통해 최적해를 찾는 방식으로, 복잡한 문제에 대한 효율적인 접근을 가능하게 한다. 현재 이러한 두 가지 기술적인 접근 방식이 조화를 이루며 양자컴퓨팅 분야의 발전에 기여하고 있다.

• 국내에서는 UST-KIST 양자정보연구단이 양자컴퓨팅 연구의 선두주자로 자리잡고 있으며, 이동화 박사와 김용수 박사의 연구가 한국 양자 정보 기술의 경쟁력 강화를 뒷받침하고 있다. 이들은 양자정보 처리 기술, 양자암호 개발, 양자시뮬레이터 구축 등 다양한 프로젝트에 참여하며, 국제적인 연구 협력과 함께 국내 양자컴퓨팅 기술의 실용화를 목표로 연구를 진행하고 있다. 이러한 노력들은 글로벌 경쟁에서 한국의 위상을 높일 중요한 요소로 작용하고 있다.

2. 글로벌 양자컴퓨팅 발전 현황

• 2-1. IBM의 433큐비트 칩 ‘오스프리’ 공개(2024년)

• 2024년, IBM은 새로운 양자컴퓨터 칩인 ‘오스프리’를 공개했습니다. 이 칩은 총 433개의 큐비트를 포함하고 있으며, IBM은 2025년까지 4,000큐비트 이상의 칩을 개발하겠다는 목표를 설정하였습니다. 이는 양자컴퓨터의 계산 성능이 큐비트 수에 기하급수적으로 의존한다는 사실에서 비롯된 결정입니다. 더 많은 큐비트가 있을수록, 복잡한 문제를 보다 효과적으로 해결할 수 있습니다. 양자역학의 원리에 기반한 큐비트는 일반 비트와 다르게 중첩 상태를 가질 수 있어 동시에 여러 계산을 수행할 수 있는 장점이 있습니다.

• 큐비트의 증가는 양자컴퓨터 기술의 열쇠로 작용하며, IBM은 이를 통해 더 복잡한 양자 알고리즘을 구현하고, 더 나아가 상업적 적용 가능성을 높이고자 하고 있습니다. 오스프리는 이러한 목표를 이루기 위한 중요한 단계로 보입니다. 이와 같은 혁신은 양자 생태계 전반에 긍정적인 영향을 미치며, 다른 기업들도 IBM의 제안을 본받아 큐비트 수를 늘리기 위한 기술 개발에 박차를 가하고 있습니다.

• 2-2. 구글 ‘시카모어’ 이후 큐비트 확대 동향

• 구글은 2019년에 발표한 53큐비트 양자컴퓨터 칩 ‘시카모어’를 시작으로 현재까지 큐비트 수를 꾸준히 늘려가고 있습니다. 시카모어는 양자 우월성(quantum supremacy)을 입증한 중요한 이정표로, 전통적인 슈퍼컴퓨터가 수 천 년 걸릴 계산을 몇 분 내에 수행할 수 있는 능력을 보여주었습니다. 이 이후 구글은 추가적인 연구를 통해 혁신적인 큐비트 설계와 안정성을 위해 다양한 접근 방식을 모색해왔습니다.

• 구글의 노력은 재료 과학, 소프트웨어 알고리즘 및 하드웨어 개선 등 다양한 분야에 걸쳐 이루어지며, 이러한 다각적 접근이 양자컴퓨터의 성능 향상에 중요한 기여를 하고 있습니다. 특히, 큐비트 간의 얽힘과 오류 수정 기술이 중요한 연구 주제로 떠오르고 있으며, 이러한 기술들은 구글의 큐비트 확대 계획의 필수 요소로 자리잡고 있습니다.

• 2-3. 2025년 4,000큐비트 이상 목표의 의미와 도전 과제

• IBM과 구글을 포함한 많은 기업들이 2025년까지 4,000큐비트를 목표로 하고 있다는 점은 양자컴퓨터 산업의 커다란 방향성을 제시합니다. 이는 단순히 큐비트의 수를 늘리는 것뿐만 아니라, 각 큐비트 간의 상호작용 및 에러를 관리하는 데 있어 기술적 도전과제를 해결해야 함을 의미합니다. 큐비트 수가 증가함에 따라 이들 간의 얽힘 제어가 더욱 복잡해지므로, 큐비트 간의 오류를 최소화하는 것이 필수적입니다.

• 또한, 큐비트의 신뢰성을 높이기 위한 연구와 개발, 특히 큐비트의 안정성과 결맞음(coherence time)을 확장하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있습니다. 이러한 도전 과제를 해결하는 과정은 양자컴퓨터의 상용화 가능성을 한층 높이는 중요한 단계입니다. 이는 궁극적으로 정부 및 민간 분야 모두에서 양자컴퓨터의 활용을 확장할 수 있는 기반이 될 것입니다.

3. 디지털 vs 아날로그 양자컴퓨팅 기술 분류

• 3-1. 양자 상태 초기화와 해밀토니안 제어 원리

• 양자컴퓨팅 기술의 핵심 원리는 양자 상태의 초기화와 해밀토니안 제어에 있습니다. 양자 상태 초기화란 양자 시스템을 특정한 상태, 즉 0 또는 1 등의 기초 상태로 설정하는 과정입니다. 이를 통해 우리는 원하는 문제의 해를 도출할 수 있는 양자 상태를 만들어낼 수 있습니다. 해밀토니안은 물리 시스템의 에너지를 기술하는 수학적 객체로, 이를 제어함으로써 양자 상태를 변화시킬 수 있습니다. 이렇게 해밀토니안의 변화를 통해 아날로그 양자컴퓨팅이 가능하게 되며, 이는 시스템이 시간에 따라 에너지를 흡수하거나 복사하는 방식으로 양자 정보를 처리하게 됩니다.

• 3-2. 아날로그 양자컴퓨팅(단열 컴퓨팅·양자 어닐링) 개념

• 아날로그 양자컴퓨팅은 특정 문제를 해결하기 위해 양자 시스템을 이용하여 직접적인 아날로그 방식을 사용하는 기술입니다. 이 방식에는 단열 컴퓨팅과 양자 어닐링이 포함됩니다. 단열 컴퓨팅은 시스템이 저 에너지 상태로 이동하는 과정에서 발생하는 양자 터널링을 이용하여 최적해에 접근합니다. 양자 어닐링은 여러 후보 해를 탐색하는데 도움이 되며, 이는 고전적 최적화 문제를 해결하는 데 강력한 도구로 사용됩니다. 이러한 아날로그 기술은 복잡한 문제를 보다 효율적으로 해결할 수 있는 가능성을 열어주지만, 잡음과 불확실성으로 인해 결과의 신뢰성을 보장하는 데 한계가 존재합니다.

• 3-3. 양자 게이트 기반 디지털 양자컴퓨팅 특징

• 디지털 양자컴퓨팅은 고전 컴퓨터의 방식과 유사하게 문제를 가장 기본적인 양자 게이트 연산을 통해 해결하는 접근 방식입니다. 양자 게이트는 양자 비트를 변환하는 작은 연산 단위로, 이들은 양자 컴퓨터의 기초를 형성합니다. 디지털 양자컴퓨팅에서는 양자 논리 게이트를 이용하여 복잡한 계산을 수행하며, 이는 양자 알고리즘을 통한 연산으로 이어집니다. 양자 게이트는 유니타리 연산을 통해 상태를 변화시키며, 이 과정에서 고전 컴퓨터의 게이트와 유사한 기능을 수행합니다. 그러나 양자 신호는 아날로그 신호에 비해 잡음에 취약하기 때문에 이들 게이트의 설계에는 새로운 접근 방식이 필요합니다. 이는 디지털 방식보다는 훨씬 더 정밀한 제어와 오류 정정 기술이 요구됨을 의미합니다.

4. 국내 연구진과 기관 현황

• 4-1. 이동화 박사: UST-KIST에서의 연구 이력

• 이동화 박사는 2023년 과학기술연합대학원대학교(UST)에서 양자정보 기술을 전공하며 공학 박사 학위를 취득하였습니다. 현재 그는 한국과학기술연구원(KIST)의 양자정보연구단에서 박사후 연구원으로 재직 중입니다. 이동화 박사는 특히 양자광학과 관련된 연구에 집중하고 있으며, 양자정보 처리 기술의 발전을 위한 연구를 활발히 수행하고 있습니다. 그의 연구는 양자컴퓨터와 관련된 응용 분야에서 중요한 기여를 하고 있으며, 최근 양자시뮬레이터 구축과 양자암호 기술 개발에 참여하고 있습니다. 이동화 박사는 양자정보처리 기술의 상용화를 목표로 다양한 실험적 접근 방식을 탐구하며, 이론과 실험의 균형을 맞춘 연구를 진행하고 있습니다.

• 4-2. 김용수 박사: POSTECH·NIST 경력과 KIST 소속

• 김용수 박사는 포항공과대학교(POSTECH) 물리학과에서 이학박사 학위를 취득하였고, 이후 미국 국립표준연구소(NIST)에서 박사후 연구원 과정을 마쳤습니다. 2013년부터 그는 한국과학기술연구원(KIST) 양자정보연구단에 소속되어 연구를 진행하고 있습니다. 그의 연구는 주로 양자역학을 기반으로 한 정보처리 기술에 초점을 맞추고 있으며, 양자광학 시스템을 통한 양자정보 처리 기술의 발전에 기여하고 있습니다. 특히, 김용수 박사는 양자연산 오류 완화 및 정정 기술 개발에 중점을 두고 있으며, 이러한 기술이 실용화될 경우 양자컴퓨터의 효율성을 크게 향상시킬 것으로 기대하고 있습니다.

• 4-3. 한국과학기술연구원 양자정보연구단의 역할 및 향후 과제

• 한국과학기술연구원(KIST) 양자정보연구단은 국내 양자정보 기술 발전의 중심 역할을 하고 있으며, 다양한 연구 프로젝트를 통해 양자컴퓨팅의 실용화를 위한 기술 개발에 매진하고 있습니다. 현재 양자정보연구단의 주요 목표는 양자오류 정정 기술 및 큐비트 확장과 관련된 연구를 통해 고성능 양자컴퓨터를 개발하는 것입니다. 이와 더불어, 양자광학 기반의 양자시뮬레이터 및 양자암호 시스템 개발에도 노력하고 있으며, 이는 향후 실용적 양자컴퓨터 구현에 중요한 기여를 할 것으로 예상됩니다. 연구단은 국내외 여러 연구기관과의 협력을 통해 기술적 진전을 이루고 있으며, 한국이 글로벌 양자컴퓨팅 기술 경쟁에서 선도적인 위치를 유지하기 위해 지속적인 연구와 개발을 이어갈 예정입니다.

결론

• 양자컴퓨팅 분야는 IBM과 구글이 선도하며 큐비트 수 확대라는 중요한 방향으로 나아가고 있다. 이러한 쌍방향적 기술 발전은 디지털과 아날로그 양자컴퓨팅이 각각의 장점을 통해 중복되지 않고 공존함으로써 이루어진다. 특히, 2025년까지 4,000큐비트 이상의 연산이 가능해지는 목표는 양자컴퓨터의 실제적 적용 가능성을 높이는 데 큰 의미를 가진다. 다만, 이러한 목표 달성을 위해 큐비트 간의 상호작용과 오류 보정 기술의 해결이 필수적이다.

• 국내 연구진 역시 중요한 역할을 하고 있으며, 특히 UST-KIST 양자정보연구단은 양자컴퓨팅 기술의 실용화를 위한 연구를 강화하고 있다. 이동화 박사와 김용수 박사의 활발한 연구는 양자 정보 기술 분양에서 국제 경쟁력을 갖추기 위한 기반을 마련하고 있으며, 이는 국가 차원에서의 기술 발전에도 기여할 것으로 기대된다. 향후, 글로벌 연구 협력과 전략적 투자가 이루어진다면 한국은 양자정보 기술의 선도 국가로 자리매김할 가능성이 보인다.

• 결국, 정책적 로드맵 정립과 함께 국제 공동연구 확대는 한국 양자컴퓨팅의 실용화를 가속화할 중요한 열쇠가 될 것이며, 이는 국내외에서 양자컴퓨팅 기술의 상용화를 촉진할 수 있는 기회를 제공할 것이다. 이러한 맥락에서 연대와 협력이 무엇보다 중요해지는 시점에 이르렀다고 할 수 있다.

용어집

• 양자컴퓨팅: 고전 컴퓨터의 비트를 대신하여 큐비트를 사용하여 정보를 처리하는 컴퓨팅 방식입니다. 양자역학의 원리를 기반으로 하며, 특정 문제를 매우 빠르고 효율적으로 해결할 수 있는 가능성을 가지고 있습니다.

• 큐비트: 양자컴퓨터의 기본 정보 단위로, 일반 비트와 달리 0과 1이 동시에 존재할 수 있는 중첩 상태를 가집니다. 큐비트의 수가 증가할수록 양자컴퓨터의 성능이 크게 향상됩니다.

• 양자역학: 미시 세계의 물질과 에너지의 행동을 설명하는 물리학의 한 분야입니다. 양자컴퓨팅 기술의 원리를 이해하는 데 필수적인 이론적 배경을 제공합니다.

• IBM 오스프리: 2024년에 IBM이 공개한 433큐비트 양자컴퓨터 칩입니다. Osprey(오스프리)는 큐비트의 수를 늘려 더 복잡한 계산을 수행할 수 있는 목표를 가진 혁신적인 기술로 주목받고 있습니다.

• 구글 시카모어: 2019년에 발표된 구글의 53큐비트 양자컴퓨터 칩으로, 양자 우월성을 입증한 사례로 알려져 있습니다. 이 칩은 전통적인 컴퓨터로는 불가능한 계산을 수행할 수 있는 가능성을 보여주었습니다.

• 디지털 양자컴퓨팅: 양자 게이트를 이용하여 문제를 해결하는 전통적인 양자컴퓨팅 방식으로, 고전 컴퓨터의 연산 방식과 유사합니다.

• 아날로그 양자컴퓨팅: 양자 시스템의 직접적인 물리적 조작을 통해 문제를 해결하는 방식으로, 복잡한 문제를 해결하는 데 강력한 도구로 사용됩니다.

• 양자 게이트: 양자 비트를 변환하는 기본 연산 단위로, 양자컴퓨터의 기초를 형성합니다. 유니타리 연산을 통해 양자 상태를 변화시기 위해 사용됩니다.

• UST-KIST: 한국과학기술연구원(KIST)과 과학기술연합대학원대학교(UST) 간의 협력체로, 양자정보 연구를 위한 중요한 연구단체입니다.

• 이동화: 현재 UST-KIST 양자정보연구단에서 박사후 연구원으로 활동 중인 연구자로, 양자광학 및 양자정보 처리 기술의 발전을 위해 활발히 연구하고 있습니다.

• 김용수: 한국과학기술연구원(KIST) 양자정보연구단의 연구원으로, 양자역학 기반의 정보처리 기술 개발에 주력하고 있으며, 양자연산 오류 완화 기술 개발에 집중하고 있습니다.

출처 문서

• 물리학과 첨단기술https://webzine.kps.or.kr/?p=5_view&idx=16903
• 양자컴퓨팅 (Quantum Computing) - 한국양자정보학회 위키https://wiki.qisk.or.kr/%EC%96%91%EC%9E%90%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%8C%85_(Quantum_Computing)
• 양자컴퓨터, 컴퓨터의 패러다임을 바꾸다http://www.skkuw.com/news/articleView.html?idxno=31498