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양자 역학의 원리를 이용한 ‘양자 기술’의 대표적인 사례인 집적회로 및 광통신은 컴퓨터 및 인터넷과 같은 ICT(정보통신 기술)로서 우리의 삶을 뒷받침해 왔다. 최근 양자 상태를 정밀 제어하고, 양자 얽힘 및 양자 간섭 등의 양자 역학 특유의 성질을 최대한 활용하는 ‘양자 기술 2.0’이라 할 만한 기술에 대한 연구 개발이 전 세계적으로 활발해졌다. 그 대표적인 예로는 양자 컴퓨터, 양자 통신, 양자 센서, 양자 시뮬레이터, 양자 머티리얼 등이 있다.

유럽에서는 ‘양자 선언문(Quantum Manifesto)’에 근거한 10억 유로(약 1조 3,500억 원) 규모의 연구개발 투자로 인해 과학 연구와 산업 경쟁력을 강화하고, ‘제2의 양자 혁명’을 이끌어갈 것임을 구가하고 있다. 영국, 독일, 네덜란드 등의 국가에서는 독자적인 양자 기술 전략과 정부 투자도 준비하고 있다. 미국에서도 ‘국가 양자 이니셔티브법’ 아래 정부의 움직임이 활발해지고 있다. ‘양자 정보 과학의 국가 전략 개요’도 발표되어, 국립 과학 재단(NSF) 및 에너지부(DoE)가 연구 프로젝트를 지원할 것임을 표명했다. 또한 국립 표준 기술 연구소(NIST)의 주도로 ‘양자 경제 발전 컨소시엄’도 설립되었다.

양자 기술의 국제 동향을 파악하는 데 있어 주시해야 하는 것은 중국의 동향이다. 국가적으로 양자 기술에 주력하며, 특히 양자 통신 분야에서의 기술이 눈에 띄게 발전하고 있다. 베이징과 상하이를 연결하는 총 2,000km가 넘는 양자 통신 간선 네트워크를 구축하고, 인공위성 ‘묵자’에 의해 양자 암호 키를 분배하고 양자 텔레포테이션 실험을 성공하는 등, 세계적으로 귀추가 주목되고 있다. 양자 컴퓨터 분야에서도 ‘지우장(九章) 2호’ ‘쭈층즈(祖沖之) 2호’를 통해 양자 초월 실험을 검증하는 등, 매우 적극적으로 연구개발을 진행하고 있다.

일본의 양자 기술은 지금까지 문부과학성, 경제산업성, 총무성 등에 걸쳐 추진되어 왔으며, 일체적으로 추진할 수 있는 과학ㆍ산업 정책 및 중점 투자 전략이 없었다. 하지만 2017년 8월에 문부과학성이 ‘양자 과학 기술(광ㆍ양자 기술)의 새로운 추진 방책’을 발표함과 더불어, 2018년 12월에는 내각부가 ‘향후 이노베이션을 추진하는 데 있어 중요한 3가지 분야’로서 AI, 바이오와 더불어 ‘광ㆍ양자’를 언급하는 등, 드디어 양자 기술에 주력하기 시작하였다. 2020년 1월에는 일본 최초의 양자 기술에 관한 통합 전략 ‘양자 기술 이노베이션 전략’도 발표되었다.

양자 암호 키 분배와 같은 사회 적용 단계의 경쟁에서 오류 내성 양자 컴퓨터로 대표되는 장기적ㆍ기초적인 연구개발 경쟁까지 다양한 수준의 국제 경쟁이 심화되고 있다.

이처럼 양자 기술이 산업 혁신을 지원할 신기술로 조망되면서, IBM, 구글, 인텔, 마이크로소프트, 알리바바 등 글로벌 기업 연구소들도 양자 컴퓨터 개발에 박차를 가하고 있다.

IBM은 2000년대 중반부터 초전도 방식의 양자 컴퓨터를 연구하기 시작했고, 2010년대 중반에 양자 비트 디바이스를 실현, 2016년에 세계 최초로 클라우드에서 양자 컴퓨터를 공개했다. 이미 5 큐비트가 탑재된 Canary와 27 큐비트가 탑재된 Falcon, 또한 127 큐비트가 탑재된 Eagle을 포함한 20대 이상의 시스템이 클라우드에서 상용 가동되고 있다. 2022년에는 433 큐비트를 탑재한 Osprey를, 2023년에 1121 큐비트를 탑재한 Condor를 발매할 예정이라고 발표한 바 있다.

Google은 2014년에 Martinis의 팀을 흡수하고, 본격적으로 초전도 방식의 양자 컴퓨터를 개발하였다. 2019년 10월, 53 큐비트를 탑재한 Sycamore라는 칩을 사용하여 랜덤한 양자 회로로 이루어진 계산을 실행했다. 이 계산은 슈퍼컴퓨터에서도 1만 년이 걸리는데, 그것을 불과 200초 만에, 그러면서도 정확하게 실행할 수 있기 때문에, 양자 초월이 실증되었다며 화제를 모았다. 2021년 5월에는 양자 AI 부문을 총괄하는 Hartmut Neven이 2029년까지 100만 큐비트로 이루어진 오류 정정이 가능한 상용 양자 컴퓨터를 구축하겠다는 목표를 내걸었다.

한편, 우리나라도 양자 기술을 체계적으로 육성하기 위해 2014년도에 ‘양자정보통신 중장기 추진전략’을 발표하면서 국가 차원의 양자연구를 시작했으며, 2021년 4월에는 국가의 미래 전략기술 확보를 위한 방안으로 양자기술 연구개발(R&D) 투자전략을 확정하고, 도전적인 원천기술 개발을 강화하겠다고 밝혀 양자기술 발전에 기대감을 높이고 있다.

구체적으로는 ▲양자 프로세서 등 양자 컴퓨팅ㆍ통신ㆍ센서별 도전적 원천기술 개발 강화, ▲50큐비트급 한국형 양자컴퓨팅 시스템 조기 구축(~‘24) ▲양자 핵심연구자를 현재 약 150명 수준에서 ‘30년 1,000명까지 확대, ▲주력산업 중심으로 민관 파트너쉽 기반의 문제해결 프로젝트 추진에 중점을 두고 있다.

이에, IRS글로벌은 점차 가까워지고 있는 ’양자 기술‘ 상용화 시대 도래에 앞서 우리 기관 및 기업들이 견고한 글로벌 경쟁력을 갖추길 바라는 마음에서 본 보고서를 기획하였다. 부디 관련 사업의 실무담당자에게 연구개발, 신사업 전략 수립 등의 기초자료로 미력하나마 도움이 되기를 바란다.

Ⅰ. 양자 기술의 개발 동향과 활용 사례 분석

1. 양자 기술의 세부 분야별 기술 개발 동향

  1-1. 양자 기술의 개요

    1) 개념 및 중요성

    2) 개요 및 최근 동향

    3) 개발 이력

  1-2. 양자 기술의 세부 분야별 기술 개발 동향

    1) 양자 컴퓨터

      (1) 그간의 개발 경위

      (2) 양자 컴퓨터의 구조

      (3) 양자 알고리즘

      (4) 양자 컴퓨터의 응용 분야

      (5) 양자 컴퓨터 하드웨어

      (6) 양자 컴퓨터 소프트웨어 개발 환경

      (7) 정리

    2) 양자 시뮬레이터

      (1) 양자 시뮬레이터와 양자 컴퓨터

      (2) 양자 시뮬레이터의 플랫폼

        ① 원자ㆍ분자

        ② 이온

        ③ 전자

        ④ 광자

    3) 양자 센싱

      (1) 제2차 양자 혁명에서의 양자 센싱

      (2) 기존의 센싱과 양자 센싱

      (3) 양자 컴퓨터 디바이스와 양자 센싱 디바이스

      (4) 양자 센싱의 이론ㆍ응용 연구(일본 동향 중심)

    4) 양자 통신ㆍ네트워크 / 양자 키 분배에서 양자 인터넷까지

      (1) 양자 통신ㆍ네트워크의 개략

      (2) 양자 인터넷 구상

      (3) 양자 네트워크 기술 개발 동향

      (4) 양자 암호 통신 인프라 정비 동향

      (5) 양자 암호

2. 주요 산업 분야별 양자 컴퓨팅의 활용 동향과 사례

  2-1. 항공

    1) 운항 문제를 해소(IROPS)

    2) 콘텍스트를 활용하여 맞춤화된 서비스를 확충

    3) 항공 회사의 네트워크 계획을 포괄적으로 최적화

  2-2. 은행 및 금융 시장

    1) 타게팅과 예측

    2) 리스크 프로파일링

    3) 트레이딩의 최적화

  2-3. 화학 및 석유

    1) 촉매 및 계면활성제 등의 화학제품 개발

    2) 원료 운송, 정제, 제품 시장 투입 프로세스의 최적화

    3) 저류층의 채굴량 확대

  2-4. 의료

    1) 진단 지원

    2) 보험료와 프라이싱

    3) 맞춤 의료

  2-5. 생명과학

    1) 게놈과 아웃컴을 연결하여 맞춤 의료 실현

    2) 저분자 제약의 효율성 강화를 통해 환자의 아웃컴 개선

    3) 단백질 입체 구조 예측에 근거하여 새로운 생물학적 제제 개발

Ⅱ. 양자 기술의 국내외 시장 전망과 정책 추진 동향

1. 양자 기술의 시장 동향과 전망

  1-1. 국내외 시장규모 및 점유율 전망

    1) 연도별 국내외 시장규모

      (1) 글로벌

      (2) 국내

    2) 세부 분야별 시장규모 전망

      (1) 양자 통신

      (2) 양자 센서

      (3) 양자 컴퓨팅

    3) 용도별ㆍ지역별 시장규모 전망

      (1) 양자 센서

      (2) 양자 컴퓨팅

    4) 주요국별 동향

    5) 주요국 기술 수준 비교

  1-2. 주요국으로 주목받는 중국의 양자기술 개발 동향

    1) 양자 기술 추진 이력

    2) 최근 연구개발 동향

  1-3. 양자 컴퓨터의 향후 예측

  1-4. 양자 기술의 표준화 동향

    1) 글로벌 동향

    2) 국내 동향

      (1) 과기정통부, 양자기술 국제표준화 종합지원

      (2) 양자기술 표준화평가그룹(SEG) 의장에 ETRI 단장 선임

2. 양자 기술 세부 분야별 주요 업체 동향

  2-1. 양자 컴퓨팅 분야

    1) 양자 컴퓨터가 주목받는 배경과 이유

    2) 프로세서 분야

      (1) 초전도 방식

      (2) 이온트랩 방식

      (3) 반도체 양자 비트 방식

      (4) 광양자(light quantum) 비트 방식

    3) 미들웨어 분야

    4) 소프트웨어 개발 환경, 클라우드 서비스 분야

  2-2. 양자 시뮬레이션 분야

  2-3. 양자 계측ㆍ센서 분야

    1) 냉각 원자를 사용하는 센싱 분야

    2) 다이아몬드 NV 센터를 이용하는 센싱 분야

  2-4. 양자 네트워크 분야

    1) 난수 생성기

    2) 양자 키 분배

    3) 양자 키 분배 네트워크

  2-5. 세계 에코시스템 형성과 활성화를 위한 과제

    1) 에코시스템 개요

    2) 에코시스템 활성화를 위한 과제

      (1) 산업 로드맵 책정을 통한 동기 부여

      (2) 수평 분업화를 통한 플레이어 진입 촉진

      (3) 미래의 현금화(수익화)를 위한 전략 정비

3. 양자 기술 관련 주요국별 정책 추진 동향

  3-1. 미국

  3-2. 영국

  3-3. EU

    1) 독일

      (1) 주요 추진 동향

      (2) 자체 평가

    2) 네덜란드

    3) 프랑스

    4) 네덜란드와 프랑스의 연계

  3-4. 중국

  3-5. 캐나다

  3-6. 호주

  3-7. 일본

  3-8. 한국

    1) 그간의 추진 이력

    2) 양자기술(Quantum Technology) 연구개발 투자전략

      (1) 도전적 원천 연구를 강화

      (2) 양자 특화 핵심인력을 중점 육성하고, 국내외 협력 생태계를 구축

      (3) 양자 연구 인프라를 확충하고 단계적으로 고도화를 추진

      (4) 양자 기술의 활용과 산업 혁신을 촉진

    3) 50큐비트 양자컴퓨터 구축 및 양자인터넷 개발 착수

    4) '미래양자융합포럼' 출범

Ⅲ. 양자 기술 글로벌 연구개발과 특허 동향 분석

1. 양자 기술 세부 분야별 연구개발 동향 분석

  1-1. 양자 컴퓨터

    1) 분석 방법

    2) 분석 결과

      (1) 논문 수 및 평균 인용 수 동향

      (2) 주요국별 연구개발 동향(1985~2020)

      (3) 주요국별 연구개발 동향(2014~2020)

      (4) 주요 연구 토픽(2014~2020)

    3) 정리

  1-2. 양자 시뮬레이터

    1) 글로벌 주요 동향

    2) 국가별 연구 경쟁력 비교

    3) 플랫폼 연구 상황 비교

  1-3. 양자 센싱

    1) 분석절차

    2) 연도별 연구 동향

    3) 인용 상위 연구

    4) 주요 단어 및 네트워크 분석

    5) 주제 분석

    6) 연구 주제별 평균 인용 수

    7) 연도별 주요 학술지

    8) 주제별 전망

    9) 오픈엑세스 저널 비율

    10) 펀딩연구의 비율

  1-4. 양자 키 분배 연구개발 동향 분석

    1) 분석절차

    2) 연도별 연구 동향

    3) 인용 상위 연구

    4) 주요 단어 및 네트워크 분석

    5) 주제 분석

    6) 연구 주제별 평균 인용 수

    7) 연도별 주요 학술지

    8) 주제별 전망

    9) 오픈엑세스 저널 비율

    10) 펀딩연구의 비율

2. 양자 기술 특허 동향 분석

  2-1. 분석 개요

  2-2. 주요국별 문헌/특허 비교

    1) 연도별ㆍ국가별 추이

    2) 기술 조감도

  2-3. 조직ㆍ출원인별 분석

Ⅳ. 국내외 주요업체별 양자기술 관련 개발 및 대응전략

1. 주요국으로 주목받는 중국

  1-1. 연구기관 및 연구거점

    1) 중국과학기술대학 양자물리ㆍ양자정보 연구부

    2) 중국과학기술대학 양자 머티리얼ㆍ광자 기술 실험실

    3) 중국과학원 양자 정보ㆍ양자 과학 기술 이노베이션 연구원

    4) 중국과학원 양자 정보 중점 실험실

    5) 중국 과학원 대학 카블리 이론 물리 연구소

    6) 칭화대학 양자 정보 센터

    7) 칭화대학 학제 정보학 연구원

    8) 베이징 양자 정보 과학 연구원

    9) 베이징 대학 양자 재료 과학 센터

    10) 난팡 과학기술 대학 선전 양자 과학ㆍ공학 연구원

  1-2. 주요 기업

    1) 저장 선저우 양자 통신 기술 유한공사

    2) 안후이 문천 양자 과기 주식회사(Qasky)

    3) 국가 전력망 유한공사

    4) 알리클라우드 계산 유한공사

    5) 중국 과학기술 대학 궈둔 양자 기술 유한공사

    6) 산둥 양자 과학기술 연구원 유한공사

    7) 허페이 본원 양자 계산 과학기술 유한공사

    8) 바이두 양자 계산 연구소

    9) 중국 전자 과학기술 집단공사 제14 연구소

    10) 궈카이 치커 양자기술(베이징) 유한공사

  1-3. 스타트업

    1) 지난 양자 기술 연구원

    2) 선전시 윈타오 양자 과학 기술 유한 공사

    3) 선전시 양자 스핀 과학 기술 유한공사

    4) 저장 지우조 양자 정보 기술 주식회사

    5) 청두 톈아오 전자 주식회사

  1-4. 주요 연구자

    1) 판젠웨이(PAN Jianwei)

    2) 쉐치쿤(XUE Qikun)

    3) 궈광찬(GUO Guangcan)

    4) 궈궈핑(GUO Guoping)

    5) 위다펑(YU Dapeng)

    6) 자슈오탕(JIA Suotang)

    7) 루차오양(LU Chaoyang)

    8) 장창(ZHANG Qiang)

    9) 천위아오(CHEN Yu-ao)

    10) 왕지준(WANG Zhijun)

2. 중국 外 해외

  2-1. 미국

    1) IBM

      (1) 127큐비트 프로세서 ‘이글(Eagle)’

      (2) 대규모 양자 컴퓨터 실용화 로드맵

    2) 구글

      (1) 53개 큐비트의 Sycamore

      (2) 10년 이내 상용화

    3) 마이크로소프트

      (1) 양자 컴퓨터의 소프트웨어에 주목

      (1) 양자 컴퓨터의 소프트웨어에 주목

    4) 인텔

      (1) 양자 기술 관련 전략

      (2) 반도체 공장에서 큐비트 제작 성공

    5) 아마존웹서비스(AWS)

      (1) 양자 컴퓨팅이 클라우드 퍼스트 기술이 될 것으로 기대

      (2) 대규모 초전도 양자컴퓨터 구축

    6) 아이온큐

  2-2. 일본

    1) NEC(일본전기주식회사)

      (1) 오류 내성 양자 컴퓨터 개발

      (2) 양자 컴퓨터 실증 실험

      (3) 양자 어닐링 머신

    2) 이화학연구소

      (1) 양자컴퓨터 연구센터

      (2) 실리콘 3 양자 비트 실현

    3) NTT

      (1) 광섬유 결합 양자 광원 개발

      (2) 中규모 양자 컴퓨터용 ‘하이브리드 양자 오류 감소 방법’을 제안

    4) 후지쯔

      (1) 36큐비트 양자 시뮬레이터 개발

      (2) 내결함성 양자 컴퓨터 연구개발 체제 강화

    5) 도시바

      (1) 세계 최장거리 600km 양자암호통신 실증

      (2) 양자암호통신 관련 협업

    6) 히타치

      (1) 히타치의 어닐링형 양자 컴퓨터 CMOS 어닐링 머신

      (2) 게이트형 양자 컴퓨터 / 대규모 집적 실리콘 양자 컴퓨터

3. 국내

  3-1. 주요 연구기관 및 대학

    1) 한국표준과학연구원(KRISS)

      (1) 양자 상태 평가·측정하는 정밀측정기술 개발 성공

      (2) 50큐비트 양자컴퓨터 구축 및 양자인터넷 개발 착수

    2) 한국과학기술연구원(KIST)

      (1) 상온 동작 양자컴퓨터

      (2) 양자측정 난제 증명

      (3) 양자암호통신장치 기술이전 협약

    3) 포항공과대학교

      (1) 양자소자연구실

      (2) 양자 얽힘 없이 측정 정확도를 높일 수 있는 기술 개발

  3-2. 이동통신사

    1) SKT

    2) KT

    3) LG유플러스

  3-3. 상장 기업

    1) 삼성전자

    2) LG전자

    3) 코위버

    4) 우리로

    5) 우리넷

    6) 옵티시스

    7) 드림시큐리티