양자컴퓨터는 전자, 광자 등 미시세계에서 일어나는 양자역학적 현상을 이용하는 고속계산기로, 그동안 인류가 도달하지 못했던 새로운 계산 공간을 열어줄 것으로 기대되고 있다.
0 또는 1로만 상태를 표현할 수 있는 기존 컴퓨터와 달리 0과 1 중에 어떠한 상태인지 확정되지 않은 양자중첩 상태와 서로 먼 거리에 있는 양자가 즉각적으로 상호작용하는 양자얽힘 상태를 컴퓨터 내부에 구현한 것이 특징이다.
화학기업들은 분자구조나 물성 예측을 위해 양자화학계산과 기계학습을 조합하는 방안을 검토하고 있으며 양자 기술을 사용할 수 있는 양자 네이티브 인재 육성에 총력을 기울이고 있다.

양자중첩‧양자얽힘으로 시뮬레이션 정확도 향상
미국의 물리학자 리처드 파인만에 따르면, 자연계의 현상을 시뮬레이션하기 위해서는 양자역학 원리에 따르는 컴퓨터가 필요하다.
분자가 에너지를 흡수하고 발광하는 여기상태(들뜬 상태)를 시뮬레이션할 때 분자 사이 전자 이동에 따른 인력, 반발력 등 상호작용까지 고려해야 하고 조합이 방대하기 때문에 기존 컴퓨터로 양자화학계산을 실시할 때는 근사치를 입력하나 양자컴퓨터를 사용한다면 여기상태까지 정확하게 시뮬레이션할 수 있게 될 것으로 기대된다.
여러 지점을 지나는 최단경로를 계산하기 위한 세일즈맨 최단경로(Traveling Salesman Problem) 문제처럼 계산량이 방대한 문제를 양자컴퓨터로 쉽게 처리하거나 여러 물질 중 신약 후보물질을 찾아낼 때 양자컴퓨터의 기계학습을 활용한다면 전반적으로 정보 처리 때문에 발생했던 전력소비를 줄이는 효과도 예상되고 있다.
다만, 아직 발전단계이고 양자비트가 열 등 노이즈(환경 변화)에 취약하기 때문에 계산 중 오류가 발생할 가능성이 크다.
아울러 범용 계산에 사용되는 게이트형 상용기는 127양자비트가 최대로 처리 가능한 계산량이 한정돼 현실적으로 과제 처리가 가능한 수준의 양자컴퓨터는 실용화하지 못하고 있다.
그러나 화학기업들은 기존 컴퓨터가 직면한 한계를 인정하고 양자컴퓨터에 기대를 걸고 있다.
양자컴퓨터가 실용화돼 양자의 움직임을 정확하게 시뮬레이션할 수 있게 되면 고기능 소재 개발에 속도가 붙을 것으로 예상되기 때문이다. 배터리, 태양광, OLED(Organic Light Emitting Diode), 반도체용 감광성 소재 분야에서 응용을 검토하고 있다.
태양광과 물, 이산화탄소(CO2)로 유용한 물질을 제조하는 인공광합성 기술이나 생물이 공기 중 질소로부터 암모니아(Ammonia)를 제조하는 질소 고정 등 자연계 현상을 재현하는 혁신기술 개발에도 도움이 될 것으로 전망하고 있다.
일례로 콩과 식물의 뿌리에서 공생하는 뿌리혹박테리아는 실온 환경에서 질소 고정이 가능하기 때문에 양자컴퓨터로 뿌리혹박테리아의 효소 전자 상태를 분석함으로써 원래 고온‧고압 조건을 필요로 했던 암모니아 생산 과정의 환경부하를 낮추는 방안 등을 고안하고 있다.

한국, 2035년 글로벌 4위 등극 꿈꾼다!
국내에서도 양자컴퓨터 활용 프로젝트가 본격화되고 있다.
정부는 2035년까지 양자 분야 선도국인 미국의 90%에 해당하는 기술 수준을 확보하겠다는 목표 아래 양자기술 활용기업을 1200곳으로 늘리고 박사급 전문가 2000명을 육성하는 세부 계획을 마련한 것으로 알려졌다.
이를 통해 현재 1%대에 불과한 글로벌 양자 시장점유율을 2035년 7.3%, 4위까지 끌어올리는 것을 최종 목표로 설정하고 있다.
국내기업들은 양자기술이 인공지능(AI)의 뒤를 잇는 메가트렌드가 될 것으로 판단하고 앞다투어 인력과 재원을 투입하고 있다.
현대자동차는 2023년 4월부터 수소연료전지 촉매용 물질을 양자컴퓨터를 활용해 찾는 프로젝트를 시작했고, SK텔레콤은 양자 난수생성과 암호통신 기능을 하나의 반도체로 구현한 양자 암호칩을 개발하고 2023년 4월 국가정보원 검증절차에 들어갔다.
과학기술정보통신부를 중심으로 삼성전자, 현대자동차, SK텔레콤, LG전자 등 정부와 민간은 2035년까지 3조5000억원을 양자기술 분야에 투자하는 방안을 추진하고 있다. 2019년부터 2023년까지 정부가 양자기술에 투자한 2761억원의 10배 수준이다.
특히, 대기업들은 양자 관련 연구개발(R&D) 프로젝트에 박차를 가하고 있다.
LG전자는 파란색을 내는 OLED 신물질과 군집(群集) 로봇 내비게이션 연구에 양자컴퓨터를 활용할 예정이며, 포스코홀딩스는 배터리용 신물질 등을 찾기 위해 양자컴퓨터를 활용하고 있다.
정부와 대학, 출연 연구소는 국내기업이 양자기술을 다양한 분야에 응용할 수 있도록 원천기술 연구에 집중할 예정이다.
2030년대 초까지 1000큐비트급 양자컴퓨터 개발을 지원하고 전국에 양자통신망을 구축하며 2030년대 중반 양자 인터넷 상용화를 목표로 100km 양자 네트워크 개발 및 실증, 500km 전국망급 유선 양자암호통신 구현 프로젝트를 단계적으로 추진할 계획이다.
양자 센서는 2027년 바이오, 2031년 국방, 2035년 모든 산업 분야에 활용할 수 있는 원천기술을 확보할 방침이다.

현대자동차, 양자컴퓨터로 넥쏘 경쟁력 강화
현대자동차는 미국 뉴욕증권거래소(NYSE)에 상장한 양자컴퓨터 전문기업 아이온큐(IonQ)와 협업하고 있다.
현대자동차는 2022년 1만1179대를 판매한 넥쏘를 중심으로 글로벌 수소 자동차 시장에서 4년 연속 1위를 달리고 있으나 고가의 귀금속 촉매를 대체할 신규 촉매 확보에 주력하고 있다.
수소 자동차는 금속 촉매로 수소와 산소를 반응시켜 전기를 생산한 뒤 모터를 돌리며, 넥쏘는 현재 kg당 약 5000만원에 달하는 백금을 촉매로 사용하고 있다.
현대자동차는 2023년 4월 수소자동차 연료전지 촉매인 백금을 대체할 값싼 물질로 무엇이 있을지 찾는 양자컴퓨터 알고리즘 개발에 성공했다.
저가이면서 같은 양의 수소를 이용했을 때 더욱 빨리, 더 많은 전기를 생산하는 촉매를 찾는 것이 목표로 현재 10명 이상의 양자기술 전문가가 일하고 있는 것으로 알려졌다.
아이온큐와는 개발한 알고리즘을 전달해 아이온큐가 양자컴퓨터에 돌려본 뒤 결과를 검토하는 식으로 협력하고 있다.
아직 원자 하나로 구성된 물질인 단원자 분자를 분석하는 초기단계이나 시간과 경험이 쌓이면 슈퍼컴퓨터를 활용해 신물질을 찾는 것보다 더 많은 촉매 후보물질을 검토할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

SK텔레콤-삼성, 양자 칩으로 개인정보 보호 
SK텔레콤과 삼성전자는 양자난수생성 칩(QRNG)으로 스마트폰 보안 성능 향상에 나서고 있다.
SK텔레콤은 양자난수생성 칩과 암호통신용 칩을 하나의 반도체로 합친 양자암호 칩 Q-KEV7을 2022년 말 추가로 개발했고 2023년 4월3일부터 국가정보원 암호모듈 검증절차를 밟고 있다.
양자암호통신이 적용되면 데이터를 도·감청해도 내용까지는 풀 수 없으며 국가정보원의 암호모듈 검증절차를 통과한 뒤 금융기관이나 국가기간통신망 등에 양자암호통신을 적용하는 프로젝트에 도전할 계획이다.
다만, 통신망 전체에 걸쳐 양자암호통신을 적용하기 위해서는 양자암호키 생성기의 단가를 낮추어야 하며 SK텔레콤은 양자암호키 생성기 가격을 현재 개당 3억원에서 1억원 이하로 낮추는 것을 목표로 하고 있다.
SK텔레콤이 삼성전자와 협업해 만든 갤럭시 퀀텀 시리즈는 양자난수생성 칩을 장착해 뛰어난 보안성을 강화함으로써 2021년 출시 이후 현재까지 100만대 이상 판매한 것으로 알려졌다.
삼성전자는 SAIT(삼성종합기술원)를 중심으로 양자기술을 연구하고 있다.
1테라헤르츠(THz)급 극초고주파·초저전력 차세대 반도체 소자를 개발해 양자컴퓨터에 적용할 예정이며 양자통신용 빛(광원)을 상온에서 구현하는 연구도 추진하고 있다. 갤럭시Z 폴드4에는 최소한의 전력 소비로 실시간 이미지 복원을 가능하게 하는 첨단 양자화 기술을 적용했다.
이밖에 LG전자는 구글, 서울대 등과 협업하며 전자제품의 에너지 효율을 개선하는 실용적인 문제를 해결하기 위해 양자컴퓨팅을 연구하고 있으며 2022년 양자 인터넷 원천기술 개발에 착수했다.

일본, IBM 주도 아래 화학기업 활용 본격화
미국 보스턴컨설팅그룹(BCG)에 따르면, 양자컴퓨터 시장은 2030년 8500억달러(약 1160조원)의 경제적 가치를 창출할 것으로 예상되고 있다. 
야노(Yano) 경제는 양자기술과 관련한 시장이 2030년 77조4400억원에서 2040년 283조8300억원, 2050년 703조6400억원으로 꾸준히 성장할 것으로 전망했다.
양자컴퓨터처럼 매일 급격히 진보하는 기술은 시간이 흐를수록 진입장벽이 높아지기 때문에 일찍부터 관련 노하우를 축적해놓은 화학기업만이 적응 가능할 것으로 판단된다.
일본 화학기업들은 IBM의 영향을 받아 수년 전부터 양자컴퓨터 활용에 관심을 나타내고 있다.
특히, 미츠비시케미칼(MCC: Mitsubishi Chemical)과 JSR은 2018년 게이오(Keio)대학과 IBM 본사가 개설한 산학 공동 양자컴퓨터 연구소 IBM Q 네트워크 허브(Q허브)의 출범 멤버로 참여하는 등 일찍부터 양자컴퓨터 분야에서 두각을 나타내고 있다.
양사는 현재도 양자컴퓨터를 사용하는 양자화학계산과 기계학습 분야에서 IBM과 공동 연구를 진행하고 있으며, 일부 성과를 올린 것으로 알려졌다.
미츠비시케미칼, IBM, 게이오대학은 차세대 배터리로 주목받는 리튬공기전지 충전 프로세스 반응을 분석하고 있으며 Q허브 차원에서 독자적으로 고안한 계산 오류 제거 알고리즘을 적용해 양자컴퓨터 상에서 리튬과 공기의 화학 반응을 높은 정확도로 계산하는데 성공했다.
이밖에 미츠비시케미칼과 IBM이 주도하고 JSR, 게이오대학이 참여하는 형태로 TADF(Thermally Activated Delayed Fluorescence: 열 활성화 지연 형광)로 불리는 OLED 소재가 발광하는 여기상태를 양자컴퓨터에서 계산했다.
TADF 계산에서는 측정으로 붕괴되기 전의 양자얽힘 상태를 확인하는 양자 프로세스 토모그래피(Quantum Process Tomography) 기술을 활용했으며 실제 컴퓨터 오류를 측정해 계산 결과를 수정하는 방법으로 계산 정확도를 대폭 개선했다.
TADF는 OLED 소재 중 이론상 100% 효율로 전기를 빛으로 변환할 수 있는 꿈의 소재로 주목받고 있으나 수명이 짧은 단점이 있다.
미츠비시케미칼 연구진의 계산은 발광 효율과 색 재현성, 수명이 모두 갖추어진 TADF형 OLED를 실현할 수 있는 길을 열었다는데 의미가 있으며 양자컴퓨터의 가능성을 보여준 것으로 평가되고 있다.

클라우드에서 전용기기로 전환해 효율 향상
IBM은 일본법인을 통해 도쿄(Tokyo)대학과 2021년 7월 일본 최초의 게이트형 상용 양자컴퓨터 IBM 퀀텀 시스템 원을 설치했다.
가와사키시(Kawasaki)의 산업 육성 센터인 가와사키 신산업 창조 센터에서 가동을 시작했으며 도쿄대가 점유권을 가지고 있어 도쿄대, 게이오대, 민간기업 12곳이 출자한 양자 이노베이션 이니셔티브 협의회(QII) 회원사들이 사용 가능한 것으로 알려졌다. 화학기업은 미츠비시케미칼, JSR, DIC 등이 QII 회원으로 알려져 있다.
양자컴퓨터를 클라우드 경유로 이용하는 것과 전용기기로 사용하는 것은 큰 차이가 있는 것으로 파악된다.
전세계 180개 이상의 관련기업과 연구기관이 공동으로 이용하는 클라우드 양자컴퓨터는 1주일 동안 200계산이 한계였으나 현재는 7-10일 기준으로 5000계산이 가능한 수준으로 개선돼 그동안 6개월이 소요되던 계산을 10일만에 할 수 있게 됐다.
하지만, NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum Computer: 노이즈가 있는 중규모 양자컴퓨터)에서 어떠한 계산이 가능한지 직접 경험할 수 있다는 점에서는 클라우드 양자컴퓨터보다 전용기기 활용이 훨씬 유용한 것으로 평가된다.
실제로 도쿄대, DIC 연구진은 가와사키에 설치된 양자컴퓨터와 기존 컴퓨터를 병용해 이산화탄소 분자 진동 에너지를 정확하게 계산할 수 있음을 실증했다.
양자컴퓨터에서 얻은 계산 결과와 기존 컴퓨터의 계산 결과를 비교함으로써 노이즈 때문에 발생할 수 있는 오차를 측정하는 새로운 방법을 도입해 노이즈 영향을 억제한 것으로 파악된다.

벤처와 협업 통해 알고리즘 기술 확보
최근에는 양자컴퓨터를 소재 개발에 이용하기 위한 알고리즘 등 기술 확보를 위해 화학기업이 양자 벤처와 손을 잡는 사례도 등장하고 있다.
DIC는 2022년 4월 양자계산 클라우드 사업을 영위하는 캐나다 Good Chemistry와 공동 연구에 착수했다.
Good Chemistry는 양자컴퓨터용 소프트웨어를 개발하는 1QBit의 양자 시뮬레이션 부문을 모체로 2021년 11월 설립됐다.
DIC는 2020년부터 1QBit과 공동 연구를 추진하고 있으며, Good Chemistry와는 보다 현실적인 과제를 해결할 수 있는 양자화학계산 기술 획득을 위해 연구를 진행하고 있다.
양자컴퓨터용 소프트웨어나 알고리즘을 개발하는 벤처 큐나시스(Qunasys)는 JSR, 미츠비시케미칼 등 다수의 화학기업과 공동 연구를 진행하고 있다.
제온(Zeon)과는 2022년 3월 업무자본제휴를 체결했으며, 2019년부터 JSR과 진행한 공동 연구에서는 양자컴퓨터‧기존컴퓨터 병용으로 양자화학계산을 효율화하는 알고리즘 개발에 성공한 것으로 알려졌다.

게이트형 이어 어닐링형도 개발 본격화
양자컴퓨터는 범용 게이트형과 조합 최적화 문제 해결에 적합한 어닐링형으로 크게 구분된다.
게이트형은 양자비트 종류에 따라 초전도 방식, 이온 트랩 방식, 광량자 방식, 실리콘(Silicone) 방식, 토폴로지컬(Topological) 방식 등이 있으며 IBM은 초전도 방식으로 게이트형 상용 양자컴퓨터를 공급하고 있다.
JSR은 영국 Quantinuum과 2022년 7월부터 이온 트랩 방식 양자컴퓨터를 사용해 반도체 소재를 모델화하는 방법을 공동 연구하고 있다.
어닐링형 양자컴퓨터는 레조낙(Resonac: 구 Showa Denko)이 후지츠(Fujitsu)와 유사 양자컴퓨터인 디지털 어닐러를 활용해 반도체 소재 최적 배합을 수십초만에 도출하는 실증에 활용한 바 있다.
반도체 소재는 수지, 필러, 첨가제 등을 다양한 비율로 배합하며 레조낙이 선택한 소재는 이론상 10의 50승을 넘는 조합이 존재하기 때문에 기존 방법으로는 계산 시간이 수십년 이상에 달할 것으로 예상됐다.
디지털 어닐러는 통계역학의 분석 방법인 이징모델(Ising Model)로 입력할 필요가 있다.
레조낙은 소재의 복잡한 배합 조건에서 반도체 소재 특징을 예측하는 독자 개발 인공지능 모델을 이징모델로 표현하는데 성공했으며 탐색 시간을 대폭 단축했을 뿐만 아니라 반도체 소재 성능을 30% 향상시킨 것으로 알려졌다.

양자 기술 구사하는 네이티브 인재 육성
일본은 양자컴퓨터 실용화를 위한 산관학 연구를 본격화하고 있다.
도쿄대는 IBM 본사와 2019년 포괄적 연계 협정을 체결하고 실제 양자컴퓨터 기기를 사용한 하드‧소프트 개발에 도전하고 있으며 총 3개의 프로젝트를 진행하고 있다.
첫 번째 프로젝트는 27양자비트 게이트형 상용 양자컴퓨터인 IBM 퀀텀 시스템 원을 사용하는 연구개발로 도쿄대가 독점 사용권을 가지고 있다.
QII 참여기업들은 도쿄대와 개별적으로 공동연구 계약을 체결해 양자컴퓨터를 이용하고 있으며 양자컴퓨터 가동을 통해 연구 효율을 수십배 향상시킨 것으로 평가하고 있다.
두번째는 도쿄대 아사노(Asano) 캠퍼스의 하드웨어 연구개발센터 퀀텀 하드웨어 테스트센터에서 진행하는 프로젝트로 5양자비트 컴퓨터와 관련 설비를 통해 케이블, 고주파 앰프, 구동 소자 등 기간부품 개발을 진행하고 있다. IBM이 양자컴퓨터 테스트베드(실증 실험장)를 사외에 두는 것은 처음이어서 주목받았다.
마지막으로는 혼고(Hongo) 캠퍼트 산학 연계기지에서 IBM의 기술자와 도쿄대 연구진, QII 회원이 모여 소프트웨어 개발을 진행하고 있다.
양자컴퓨터는 후발 전략이 유효하지 않은 분야로 하드웨어는 물론 소프트웨어도 기술이 빠르게 진보함에 따라 시간이 지날수록 진입장벽이 높아지며 선두주자를 따라잡기 어려워진다는 특징이 있다.
QII 참여 화학기업들은 경영자가 양자 기술 확보에 큰 관심을 나타내고 있고 반도체 소재, 디스플레이 소재, 배터리 소재와 같이 기존 컴퓨터를 사용하는 시뮬레이션이 어려운 사업을 영위하고 있다는 공통점이 있다.
양자 기술을 둘러싼 국가 간 경쟁이 치열해지며 양자 기술을 활용할 수 있는 인재의 수 뿐만 아니라 질의 중요성이 확대되고 있다.
미국은 전세계 우수인재를 흡수할 수 있는 에코시스템을 만듦으로써 뛰어난 인재를 다수 배출하고 있으며, 일본은 도쿄대가 양자 엘리트 육성을 위해 △대학교 학부 1학년 및 2학년 교양과정 △3학년 및 4학년(학부) △대학원 등 3단계로 나누어 다양한 학문 영역을 오가는 학제 인재 육성을 추진하고 있다.
양자컴퓨터를 실제로 다루며 체감할 수 있는 교육 효과와 QII 회원사의 개발 프로젝트에 참여하거나 회원사들의 실제 데이터를 사용해 현실 과제에 도전하는 기회를 제공하고 있다. (강윤화 기자: kyh@chemlocus.com)