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현대물리학의 핵심 이론으로 여겨지는 양자역학이 정립된 지 올해로 100년이 되었으며, 이를 기념하기 위해 유엔(UN)은 2025년을 “국제 양자과학 및 기술의 해”로 지정했다.

해외에서는 이미 넓은 의미의 양자정보기술에 대한 산업화의 바람이 빨리 찾아와, 2018년에는 미국에서, 2021년에는 유럽에서 각각 산관학 컨소시엄이 발족하였고 산업계로부터의 투자가 대폭 확대되고 있다.

이러한 정부ㆍ기관 간의 국제적인 연계와 협력을 통해 여러 국가의 정책ㆍ개발ㆍ산업화 등의 동향을 살피면서 우리나라도 상용화를 위해 강점을 가질 것으로 생각되는 경쟁 영역에서는 주요 산업에 적용하기 위한 이용자의 참여를 촉진시키고, 주요국 및 국내 기업들의 협력이 필요한 경쟁 영역에서는 선진국가의 대학ㆍ연구기관, 기업과 전략적으로 공동 연구를 진행하여 최신 기술을 도입하는 등 글로벌 시장을 획득하기 위한 활동을 적극적으로 추진해야 한다.

이미 양자로 구동되는 새로운 산업을 지향하는 국제 경쟁도 심화되고 있으며, 기업의 양자 관련 사업 및 스타트업/벤처 기업도 일찍부터 세계 시장에서 좋은 평가를 얻음으로써 서비스/제품의 개발 속도와 국제 표준화를 이끌 것으로 기대되고 있다.

따라서 각국에서 양자 관련 산업의 창출을 목표로 하는 단체를 설립하고, 유스케이스 탐색과 미래의 공급망 구축을 염두에 두면서, 이러한 단체들 사이에서 기본 합의가 이루어지는 등 국제적인 연계ㆍ전개가 이루어지고 있다.

특히, 양자 암호 및 미래의 양자 인터넷, 양자 컴퓨터의 실현을 내다보고, 이러한 기술을 더욱 고도화하기 위한 기초 연구와 응용 연구를 병용함과 동시에 테스트베드를 구축하여 양자 기술을 평가 검증하고 유스케이스를 실증하는 움직임이 생겨나고 있으며 양자-HPC 하이브리드 계산 플랫폼이 활발하게 구축되고 있다.

우선, 양자 컴퓨터는 한정적인 용도이기는 하지만 개발 단계에서 이용 단계로 발전되고 있다. 첨단 기술의 개발에서 활용까지의 기존의 흐름을 생각하면, 양자 컴퓨터의 산업화가 본격적으로 시작되는 것은 향후 10년 이내일 것으로 예측된다.

양자 컴퓨터의 하드웨어와 관련해서는 초전도 방식, 이온트랩 방식, 광방식, 실리콘 방식, 원자 방식 등의 개발 경쟁이 심화됨과 동시에 스케일 향상ㆍ고품질화, 아키텍처의 고도화를 위한 연구개발이 이루어지고 있으며, 특히 기초 연구의 성과로 인해 기존의 물리 양자 비트 수 기반의 의논에서 벗어나 논리 양자 비트의 실용화를 시야에 둔 의논가 빠르게 진행되고 있다.

이미 2023년에는 해외 기업이 오랫동안 길러 온 고도의 개발 리소스를 배경으로 초전도 방식에서 1,000 양자 비트를 달성하고 오류율을 낮춘 100 양자 비트급의 실제 기기를 동시에 공개하고, 해외 학술계와 스타트업이 연계하여 클라우드 환경에서 이온트랩 방식 및 원자 방식의 양자 컴퓨터를 이용할 수 있게 되었으며, 더 나아가 사상 최대의 논리 양자 비트의 실현을 공표하는 등의 움직임이 있었다.

하드웨어의 급격한 스케일 향상으로 인해 양자 소프트웨어의 유스케이스 창출이라는 관점에서도 양자 컴퓨터와 HPC를 비롯한 고전 컴퓨터의 하이브리드 이용 환경의 필요성이 고조되어 정보 과학 및 실용 수학에 근거하여 국내외에서 이러한 실제 이용 계산 환경을 정비하는 일이 빠르게 이루어지고 있다.

또한 오류 내성의 실현을 앞당길 가능성이 있는 소프트웨어도 연구되고 있다. 더 나아가 다양한 하드웨어 및 소프트웨어를 활용하는 산업화에 가까운 유스케이스의 창출 및 그 시책이 다양한 분야에서 이루어지고 있다.

양자 통신 분야는 양자 컴퓨터가 실현됨에 따라 현재 인터넷상에서 널리 이용되고 있는 공개 키 암호 알고리즘(RSA 암호, 타원곡선 암호 등)이 위태로워질 것이라는 우려가 있어, 양자 컴퓨터 시대에도 안전하게 이용할 수 있는 암호 기술이 요구되고 있다.

2024년 8월, 美 표준화기술연구소(NIST)에서는 양자내성암호(PQC, post-quantum cryptography)의 표준에 IBM이 개발한 알고리즘 2종을 채택한 바 있다.

양자 암호 통신은 양자의 물리적 특성을 통해 도청을 확실하게 감지할 수 있는 암호 시스템이며, 정부ㆍ금융계ㆍ군사 등을 중심으로 기밀 정보를 취급하는 분야에 도입될 것으로 기대된다.

각국에서도 양자 암호 통신에 관한 연구개발을 적극적으로 추진함과 동시에 지상계와 위성계를 조합한 테스트베드를 구축하여 상용화를 위한 실증실험을 진행하는 등 국제 경쟁이 심화되고 있다.

한편, 양자 계측ㆍ센싱과 관련해서는 예를 들어 고체 양자 센서는 자장 및 온도와 같은 여러 가지 물리량을 온실 환경 및 생물 내에서 고감도로 측정할 수 있다는 이점이 있어 대학ㆍ연구기관뿐만 아니라 자동차 기업의 참여가 확대되고 있다.

이러한 양자 기술의 발전과 더불어 생성형 AI의 대두, 반도체 제조 프로세스의 미세화, 스타링크와 같은 유무선 통신 기술의 발전 등 디지털 트랜스포메이션이 가속화되고 있다.

현재 국내외의 다양한 프로젝트와 기관에서 인재를 육성하고 있지만, 미래의 다양한 산업 분야에서의 확산을 고려하면 양자 관련 인재가 세계적으로 부족해질 것으로 예상되기 때문에, 우리나라에서도 양자 기술 연구자ㆍ기술자를 보다 더 육성해야 할 것으로 판단된다.

또한 양자 컴퓨터에 그치지 않고 양자 기술 전체를 산업화하기 위한 차세대 소재 개발과 국제 공급망 구축의 필요성도 커지고 있다.

이에, 본 보고서는 양자정보기술의 개발 트렌드와 시장전망뿐만 아니라, 특허나 논문 등 연구성과물 정보의 데이터베이스를 기반으로 실시한 기술경쟁력 분석을 담고 있다.

Ⅰ장 : 양자정보기술 개발 트렌드와 향후 전망, Ⅱ장 : 양자정보기술 주요 분야별 연구개발 동향과 향후 과제, Ⅲ장 : 양자정보기술 글로벌 연구데이터 및 특허 경쟁력 분석, Ⅳ장 : 국내외 주요업체별 양자정보기술 관련 개발 및 사업전략으로 구성되었다.

모쪼록, 본 보고서가 양자기술 및 양자산업뿐만 아니라 관련 분야에 종사하거나 관심 있는 모든 분들이 양자기술의 본격적인 상용화와 시장 변화를 예측하고, 사업화 전략 수립에 유용한 참고자료가 될 수 있기를 바랍니다.