양자컴퓨터, 가능성의 시대를 지나 현실의 무대로

안녕하세요. 한 달 만에 돌아온 카카오벤처스의 딥테크 영역 투자 심사역 제로입니다.
그 사이, 양자 컴퓨터 씬에 반가운 뉴스가 있었습니다.

바로 2025년 노벨 물리학상이 양자 연구자 세 사람에게 돌아갔다는 소식입니다! 👏

수상자 중 두 명은 모두 Google Quantum AI 팀 출신입니다. 미셸 드보레는 현재 Chief Scientist로 활동하고 있으며, 존 마르티니스는 2019년 세계 최초로 양자 우월성을 입증했던 하드웨어 팀을 이끌었던 인물이죠.

역시 양자역학과 양자컴퓨터는 전 세계의 주목 속에서 빠르게 성장하고 있고, 글로벌 빅테크 기업 구글 역시 이 시장에 적극적으로 뛰어들고 있는 듯합니다.

그렇다면 이 기술은 지금 실제로 어디까지 와 있을까요?

지난 글에서는 고전 실리콘 컴퓨터와의 비교를 통해 양자컴퓨터의 기본 원리와 현황을 살펴보았는데요. 오늘은 거기서 한 걸음 더 나아가 그 기술이 어떻게 발전해 왔는지, 지금 어떤 전환점을 맞이하고 있는지 더 깊게 알아보겠습니다.

양자컴퓨터 기술의 현주소

지난 글에서 양자컴퓨터의 하드웨어를 개발하는 것이 당장의 핵심 과제이며, 이 하드웨어 영역에서 초전도체, 이온트랩, 중성원자와 같은 몇 가지 방법론이 경합을 벌이고 있다고 말씀드렸습니다. 그렇다면 각 영역의 기술은 현재 어떤 상황에 놓여 있을까요? 그들은 어떤 여정을 거쳐 지금의 위치까지 오게 되었을까요?

빅테크가 이끌어낸 초전도체 양자컴퓨터

초전도체 양자컴퓨터는 ‘양자컴퓨팅 기술’ 자체가 대중적인 관심을 얻는 데 큰 역할을 해주었습니다. 초전도체 기반의 양자컴퓨터는 자본만 있다면 충분히 만들 수 있다고 말씀드린 바 있습니다. 그렇기에 구글, IBM, MS 등 충분한 자본과 연구 인력을 투자할 수 있는 빅테크 기업이 주도하고 있는 분야인데요.

사실 양자컴퓨터는 유효성이 입증된 지는 얼마 되지 않았습니다. 양자컴퓨터를 활용하면 고전 컴퓨터 대비 성능이 월등할 것이라는 가설은 있었지만, 이것이 현실에서 구현된 적은 없었기 때문입니다.

그러나 구글, IBM 등의 대기업이 선진 기술을 탐색하는 차원에서 양자컴퓨터 개발에 뛰어들었습니다. 초전도체 기반의 양자컴퓨터로 양자 우월성(quantum supremacy)을 증명하기 위해 꾸준히 R&D를 진행했고, 마침내 구글이 2019년 ‘시커모어’라는 칩을 발표합니다. 시커모어는 특정 영역에서 양자 우월성을 가진 칩으로, 양자 우월성을 입증한 첫 번째 사례였습니다. 그 이후 구글의 ‘윌로우칩’, MS의 ‘마요라나칩’이 잇달아 발표되면서 양자컴퓨터 기술의 완성도는 가파른 기울기를 그리며 발전하기 시작했습니다.

이는 ‘초전도체 양자컴퓨터’가 아주 값비싼 투자가 필요한 영역임에도 불구하고 꾸준히 연구를 통해 선진기술의 영역에서 티핑 포인트(tipping point)를 만들어낸 사례입니다. 딥테크 시장 생태계 안에서 빅테크의 역할을 아주 잘 수행해 준 사례라고 볼 수 있습니다. 선진 기술의 돌파구를 열고 신생 벤처 기업들의 시행착오를 줄여줌으로써, 장기적으로 생태계를 조성해주는 아주 바람직한 플레이였죠.

IBM 역시 발표가 한 발짝 늦어 비교적 주목은 적게 받았지만, 은둔 고수처럼 꾸준히 연구를 진행해 온 결과 AWS와 손잡고 실제로 현장에 도입될 수 있는 양자컴퓨터를 시장에 내놓을 수 있었습니다. ‘IBM 퀀텀 시스템 원’은 한국 연세대학교에도 클라우드 형태가 아니라 실제 현장에 설치되었습니다.

다시 말해, 가능성의 연구에서 실효성의 연구로 넘어가는 가장 높은 계단을 빅테크 기업들이 앞장서서 넘어준 셈입니다.

이온트랩 양자컴퓨터의 선봉장, IonQ

하지만 초전도체 기반의 양자컴퓨터에는 큰 한계가 존재한다고도 설명해 드렸습니다. 스타트업이 아니라 빅테크 기업들이 도전해야만 했던 이유, 바로 값비싼 비용입니다. 또한 초전도체 양자컴퓨터가 실제로 상용화되기 위해서는 100만 개의 큐비트가 필요한데, 이 수준에 도달하기 위해서는 아직 스케일업 전략이 필요한 상태이기도 합니다.

그 대안으로 나온 이온트랩 방식에서는 IonQ라는 대장 격 스타트업이 등장합니다. IonQ 역시 2015년 설립 이후 꾸준히 해당 영역에서 R&D를 진행하며 유의미한 성과를 발표했죠.

36 AQ(Algorithm Qubit)라는 자체 큐비트 단위를 기반으로 ‘Forte’라는 양자컴퓨터를 발표했고, 굵직한 대기업과의 협업은 물론, GCP, AWS, Azure와 같은 클라우드 기업과 파트너십을 맺기도 했습니다. 마침내 상장에 성공하며 독립 스타트업이 어디까지 가볼 수 있는가에 대한 질문에 결과물로 답했습니다. 스타트업으로서 상당한 성과를 내고, 자체 BD도 만들어내며 시장에 자리 잡게 됩니다.

물론 이온트랩 기반의 양자컴퓨터 역시, 상용화를 위해서는 여전히 많은 기술적 난제들이 남아 있습니다. 비용 절감에 있어서는 유의미한 성과를 냈지만, 초전도체 양자컴퓨터와 마찬가지로 스케일업의 한계가 남아 있는 상황입니다.

중성원자 양자 컴퓨터, 현실로 다가오는 미래

이런 상황에서 제안된 것이 바로 중성원자 양자컴퓨터입니다.

중성원자 기반의 양자컴퓨터는 진공 챔버 내에 큐비트 역할을 할 중성원자들을 넣어두고, 이 원자들을 활용해 연산을 수행합니다. 진공 챔버 내에 원자 가스만 주입하면 되기 때문에, 100만 큐비트를 달성하기 위한 스케일업에 비교적 큰 난관이 없는 기술이죠. 또한 초전도 특성 등을 활용하지 않아 고비용의 냉각 장치도 필요 없어서, 비용 절감 면에서 압도적으로 효과적인 방법이기도 합니다.

사실 중성원자를 활용한 양자 컴퓨터의 개념 자체는 새로운 것이 아닙니다. 다만 진공 챔버 속에 있는 100만 개의 원자들을 제어할 수 있는 기술이 존재하지 않았기 때문에, 몇 년 전까지만 해도 먼 미래의 기술로 취급되었습니다.

그런데, 최근 레이저를 활용해 이 원자들을 하나하나 제어하는 ‘광학 집게(Optical Tweezer)’ 기술이 개발되면서 상황은 급속도로 바뀌게 됩니다.

원자를 조정하는 Optical Tweezer 기술의 등장

Optical Tweezer 기술은 레이저를 족집게처럼 사용해, 원자들을 제어하는 기술입니다. 작동되는 방식을 이해하는 건 그리 어렵지 않습니다.

드라이기 위에 탁구공을 올려두고 바람을 켜보면, 탁구공이 밖으로 떨어지지 않고 바람에 갇혀 둥둥 뜨는 것을 볼 수 있는데요. 이처럼 진공 속에 존재하는 원자를, 레이저를 활용해 포획하는 기술이 바로 Optical Tweezer입니다.

이제 진공 챔버 속에 존재하는 원자를 제어할 수 있게 되었으니, 비로소 중성원자 양자컴퓨터가 실현 가능해졌습니다. 이러한 기술이 개발되면서 프랑스의 PasQal, 미국의 QuEra가 빠르게 부상하며 양자 컴퓨터 산업의 축을 뒤흔들게 되었습니다.

2023년 한국에서는 GPT-3 Moment를 중심으로 한 AI 충격을 체감할 수 있었는데요. 미국은 AI 충격만큼이나 양자 컴퓨팅 분야에 대한 충격 또한 뜨거웠던 한 해였습니다. 그 중심에는 중성원자 양자 컴퓨터 스타트업들의 비약적인 도약이 있었죠.

중성원자 양자컴퓨터의 질주

중성원자 양자컴퓨터 기술은 앞선 두 방법의 핵심 과제였던 스케일업에서 상대적으로 유리하고, 기존 빅테크를 포함한 선두 주자들의 시행착오를 다수 피할 수 있었습니다. 이에 따라 가장 늦게 실현되었음에도 불구하고 앞선 주자들을 빠르게 따라잡은 것을 넘어 추월하기 시작했는데요. PasQal은 100 큐비트에 가까운 양자컴퓨터를 발표했고, QuEra는 Stealth 모드를 해제하며 이미 256 큐비트의 양자컴퓨터 개발에 성공했다고 발표하였습니다.

성과에 따라 투자도 잇달아 이루어졌습니다. PasQal은 누적 2,000억 원을 뛰어넘는 투자금을 유치했고, 최근 누적 투자금과 유사한 규모의 Series C 투자를 마무리 지어가고 있습니다. QuEra 역시 누적 3,000억 원에 달하는 투자금을 유치하는 데 성공했죠.

이처럼 중성원자 양자컴퓨터는 그 독보적인 특성을 활용하여 아주 빠르게 양자컴퓨터 시장의 강력한 라이징 스타로 자리매김하게 되었습니다. 실질적으로 100개 이상의 큐비트를 가진 양자컴퓨터를 상용화하고, 1,000여 개 이상의 큐비트를 제어할 수 있는 역량을 가시적으로 보여준 유일한 그룹이기도 합니다.

2020년 이후 중성원자를 제어할 수 있는 레이저 기술이 성숙해짐에 따라, 3년이라는 아주 짧은 시간 동안 빠르게 성장한 것입니다.

이들의 수익성도 주목할 만합니다. 보통 양자컴퓨터와 같은 딥테크 스타트업의 경우, 단기적인 수익화가 어렵다는 시선이 대부분인데요. 이 두 회사는 이미 매출액이 발생하고 있습니다.

PasQal은 이미 $35M, QuEra는 $10.7M 수준의 연 매출을 내고 있다는 분석이 있습니다. 이는 양자컴퓨터의 상용화 수준이 단계적으로 존재하기 때문입니다.

기본적으로 양자컴퓨터는 일반적인 사용자를 위한 일상적 컴퓨터가 아니라, 그보다 한 차원 더 높은 수준의 업무 수행을 위한 초고성능 컴퓨터입니다. 초대형 글로벌 기업, 정부 등이 주요 타깃이 되며, 이미 양자컴퓨터 기술에 대한 니즈는 시장에 넘치게 존재하는 상황입니다.

따라서 기업들은 양자컴퓨터를 활용하게 될 미래에 미리 대비하기 위해, 컨설팅을 필요로 하기도 하는데요. 바로 이 지점에서 양자컴퓨터 스타트업이 벌써부터 수익을 만들어낼 수 있습니다. 클라우드 단위까지 완성된 고도의 양자컴퓨터를 개발하기 전에도, 부분적으로 완성된 하드웨어와 자체 양자 관련 기술을 활용해 양자 컨설팅을 제공할 수 있기 때문입니다.

상용화 수준에 따라 양자컴퓨터는 1) 컨설팅 2) On-premise 3) Cloud 형태로 수익 창출이 가능한데, 이 양자 컨설팅만으로도 초기에 수백억 원 수준의 매출을 발생시킬 수 있는 것이죠.

이처럼 양자컴퓨터는 딥테크 영역임에도 불구하고 단기적으로도 꽤 큰 매출을 발생시킬 수 있는 산업인 동시에, 단계적으로 빠르게 상용화가 가능합니다. 이를 통해 지금 이 순간에도 시장에 꽤나 큰 수요들이 다수 존재한다는 것을 간접적으로 확인할 수 있습니다.

이처럼 우리가 양자컴퓨터의 미래라고 생각했던 것들은, 사실 현실로 다가온 현재입니다.

우리에게 남아 있는 과제

그렇다면 현시점에서 중성원자 양자컴퓨터, 그리고 폭넓게는 모든 양자컴퓨터 스타트업에게 남아있는 숙제는 무엇일까요? 이를 알기 위해서는 양자컴퓨터의 QPU가 작동하는 방식에 대해 조금 더 면밀히 알아볼 필요가 있습니다.

아래 간단히 제작된 애니메이션이 있으니 참고해 주세요.

중성원자 양자 컴퓨터의 작동 방식

이전 편에서 양자컴퓨터는 결국 중첩과 얽힘을 활용해서 연산을 수행한다고 말씀드렸습니다. 그렇다면 중성원자 양자컴퓨터는 어떻게 이 두 가지의 양자적 성질을 구현하는 것일까요?

(1) 중첩

먼저, 중첩을 구현하기 위해서 우리는 원자 속 전자의 에너지 준위를 활용합니다. 중성원자 뿐만 아니라 초전도체 등을 활용한 대부분의 양자컴퓨터에서 유사한 구현 방법을 활용하는데요.

원자는 태양을 중심으로 공전하는 태양계처럼 원자핵 주변을 감싸며 돌고 있는 전자로 구성되어 있습니다. 이 전자는 아무렇게나 불규칙적으로 움직이는 게 아니라, 특정한 궤도를 따라 돌고 있는데요. 궤도마다 그것을 따라 움직이는 데 필요한 에너지가 정확하게 정해져 있습니다.

이렇게 궤도마다 돌기 위해 필요한 단계적·비연속적인 에너지 레벨을 에너지 준위라고 부르고, 이 에너지 준위별로 돌고 있는 전자를 활용하여 중첩을 구현합니다.

특정 에너지 준위를 가지고 존재하는 것을 에너지 상태(state)라고 합니다. 여러 가지 에너지 준위 중에서도 특정한 에너지 준위의 경우, 오랫동안 안정적으로 유지할 수 있는데요, 이 안정적인 상태를 Hyperfine State라고 합니다. Hyperfine State를 활용하면 양자 상태를 안정적으로 유지할 수 있기 때문에 양자컴퓨터 구현을 위한 물리적 큐비트의 핵심이라고 볼 수 있습니다.

중성원자 양자컴퓨터에서 활용하는 루비듐 원자의 경우, 이 Hyperfine State를 2개 활용하여 0과 1을 표현합니다. 원자에 특정한 파장의 레이저를 노출시키면 원자에는 이 두 가지의 Hyperfine State를 오가는 Rabi Oscillation이 일어나고, 이를 활용해서 중첩을 만듭니다. 이 중첩을 활용해 Hadamard 게이트와 같은 단일 큐비트 연산을 수행할 수 있는 것이죠.

(2) 얽힘

얽힘을 구현하기 위해서는 Rydberg Blockade를 활용합니다. 원자에 특정한 수준으로 강한 레이저를 노출시키면, 전자가 이 에너지를 흡수하여 높은 에너지 준위를 가지게 되는데요. 이때 궤도 반경이 커지면서 원자의 크기도 커지게 되고, 이러한 상태를 Rydberg State에 놓였다고 합니다.

그렇다면 만약 2개의 원자를 아주 가까이 붙여놓고 동시에 레이저를 노출시키면 어떻게 될까요? 이럴 경우 2개의 원자 모두가 커질 수 없기 때문에, 2개의 원자 중 하나만 양자역학적인 확률로 커지게 됩니다.

2개의 원자에 동시에 레이저를 노출시키면 관측하기 전까지는 어느 것이 Rydberg State에 놓였는지 알 수 없지만, 한 개의 원자를 관측하면 다른 한 개의 상태도 결정되는 ‘얽힌 관계’가 되는 것이죠.

이런 방식으로 2개의 원자를 양자역학적인 확률로 얽히게 만들면서 얽힘을 구현하고, 이를 통해 Controlled-Z 게이트나 NOT 게이트 같은 다중 큐비트를 구현합니다.

양자컴퓨터에 남은 기술적 과제

이렇게 간단하게 중첩과 얽힘을 구현하는 방식을 설명해 보았는데요, 레이저를 통한 원자 제어 기술이 중요한 이유를 확실히 아실 수 있을 것입니다.

이제 남은 기술적인 과제는 레이저를 통해 구현한 양자역학적인 에너지 상태를 오랫동안 유지하면서 연산을 수행하는 방식입니다.

이때 우리의 선택지는 다음의 두 가지로 수렴하게 됩니다.

• 1) 처음부터 양자역학적인 에너지 상태를 오래 유지할 수 있는 HW 만들기

• 2) HW에서 발생하는 에러를 스스로 고치며 연산을 수행하는 SW 만들기

이를 각각 신뢰도(fidelity)가 높고 유지 시간(coherence time)이 긴 하드웨어 개발, 오류 교정(error correction)이 가능한 소프트웨어 개발이라고 말합니다.

일반적으로 양자컴퓨터의 핵심 과제로 큐비트의 개수를 늘리는 ‘스케일업’에 많이 주목하지만, 그만큼이나 중요한 것이 바로 신뢰도(fidelity)입니다.

아무리 스케일업이 가능하더라도, 실제 연산 결과를 신뢰할 수 없다면 활용할 수 없겠죠? 이러한 관점에서 2020년부터 2023년까지 눈부신 성장이 있었습니다. 2020년까지만 해도 1개 큐비트의 신뢰도가 10~20%에 머물렀는데, 3년이라는 짧은 시간 동안 기술적 병목이 해결되면서 1개 큐비트의 신뢰도를 99.9%인 Triple 9까지 도달시키는 데 성공한 것입니다.

물론 여전히 아쉬운 점은 많습니다. 저희는 실제 양자컴퓨터를 범용적으로 활용하기 위해서는 1,000개를 넘어, 100만 개의 큐비트도 마음껏 활용할 수 있어야 하기 때문이죠.

그러나 현시점에서 2개 큐비트를 활용한 게이트 기반 큐비트는 99.4~5% 정도가 SOTA(State of the Art; 최첨단)입니다. Universal 하거나 대규모 형태의 경우에는 아직 검증이 부족한 점이 존재하고요. 현장에서 실제로 활용하기 위해서는 반드시 Triple 9의 정확도를 달성해야 합니다.

스케일업 관점에서 봐도 HW를 활용해 신뢰도를 확보하는 것 이상의 개선이 필요한데요. 스스로 Error Correction이 가능한 SW 설계가 필요한 시점입니다. 바로 Software-Defined QPU가 나와야 하는 지점이지요.

지금까지 양자컴퓨터 하드웨어의 발전, 중성원자 기술의 부상, 그리고 앞으로 풀어야 할 과제들까지 기술의 흐름을 중심으로 더 깊이 있게 살펴보았습니다.

카카오벤처스는 양자컴퓨터 산업 전반에서 생겨나는 격변에 꾸준히 주목해 왔는데요. 그 변화가 만들어내는 시대적 흐름과 시장의 니즈에 맞추어, 한국에서 직접 QPU를 개발하고 있는 유일한 양자컴퓨터 스타트업에 투자를 진행했습니다.

바로 중성원자 방식의 양자컴퓨터 스타트업 OQT입니다.

OQT의 김동규 대표님은 양자컴퓨터 산업의 최전선에서 연구를 이어오셨습니다. 대표님은 미국 QuEra의 창립 멤버로서 256 큐비트 도달까지의 여정을 함께한 뒤, 한국에서 독자적으로 팀을 꾸려 새로운 도전을 시작하셨습니다.

OQT는 스케일업과 신뢰도(fidelity) 측면에서 독자적인 기술을 개발 및 확보했습니다. 그 뿌리가 되는 KAIST에서 시작해 한국을 넘어 APAC 내 QPU Frontier Group으로 성장해 나가고 있습니다.

양자컴퓨터는 이제 더 이상 먼 미래의 이야기가 아닙니다. 빅테크가 개척한 길 위에서 스타트업이 혁신을 가속화하고 있으며, 기업들은 이미 양자컴퓨터 시대를 위한 준비를 시작했습니다. 생태계가 무르익는 지금, 양자컴퓨터는 빠르게 ‘현재’로 달려오고 있습니다.

더 자세한 내용은 10월 22일 진행되는 카카오벤처스의 오프라인 행사 Insightful Day 2025: Hi-Five the Future에서 들려드리고자 합니다.

현실이 된 양자컴퓨터와 그 선두 주자 OQT에 대해, 더 자세한 이야기가 궁금하신 분들은 Insightful Day 세션과 그 이후 발표될 KV Insight e-Book에도 많은 관심 부탁드립니다.

카카오벤처스 투자팀의 인사이트를 바탕으로
커뮤니케이션팀 에디터 인턴 Chloe가 제작에 참여했습니다.