양자 기술 3대 분야 기술 동향 보고서
양자 기술 3대 분야 기술 동향 보고서
서론 (Introduction)
양자컴퓨팅은 기존 정보처리 한계를 넘어설 차세대 기술로 주목받고 있으며, 이를 구현하려면 극저온 환경에서 동작하는 양자 하드웨어 기술의 혁신이 필수적입니다[1][2]. 특히 초전도 큐비트나 실리콘 스핀 큐비트 등 유망한 플랫폼들은 밀리켈빈(mK) 수준의 냉각이 필요하며, 이에 따라 극저온 양자회로, 양자 패키징, 극저온 양자 반도체 소재 분야의 발전이 양자컴퓨터 실현의 열쇠로 떠올랐습니다[1]. 본 보고서에서는 이 세 가지 기술 영역별로 국내외 기술 개발 현황과 주요 연구 동향을 살펴보고, 선도 기업 및 연구기관, 상용화 가능성과 시장 전망, R&D 정책 지원, 논문·특허 동향을 종합적으로 정리합니다.
1. 극저온 양자회로 설계 및 집적화 (Cryogenic Quantum Circuit Design & Integration)
기술 개발 동향 및 연구 현황
현재 초전도 회로 기반 큐비트가 양자컴퓨팅 구현을 주도하고 있습니다. IBM은 2021년 127큐비트 Eagle 프로세서를 발표한 데 이어 2022년 433큐비트 Osprey를 개발했고, 2025년까지 1,121큐비트 이상을 탑재한 칩(Condor)을 목표하고 있습니다[3]. 구글 역시 2019년 53큐비트 Sycamore 프로세서로 양자 우월성을 시연하며 주목받았고[4], 이후 오류 보정과 규모 확장 연구에 집중하고 있습니다. 이처럼 미국 기업들을 필두로 초전도 큐비트 집적도는 급격히 상승 중이며, 중국 또한 66큐비트 초전도 프로세서(줘충즈)를 개발하고 광양자 컴퓨터 구장(九章)을 통해 양자 계산 우위를 시연하는 등 빠르게 따라잡고 있습니다[5]. 한편 반도체 스핀 큐비트도 주목받는데, 실리콘 기반 큐비트는 기존 CMOS 공정과 호환되어 상용화 잠재력이 높지만 고품질 이종접합 구조와 동위원소 순도 확보 등이 과제로 남아 있습니다[6][7]. 인텔은 22nm 공정의 극저온 SoC(Horse Ridge)를 개발해 다수 스핀 큐비트를 제어하는 시도를 하는 등, 실리콘 큐비트와 극저온 제어회로 통합 연구를 병행하고 있습니다.
양자 회로의 대규모 집적화를 가로막는 주요 이슈로 배선 및 인터커넥트 문제가 지적됩니다. 큐비트 수가 늘어나면 큐비트 하나당 제어선/판독선이 최소 하나 필요하여, 현재와 같은 상온 장비-저온 큐비트 간 동축케이블 연결 방식으로는 수천 큐비트 시스템에서 신호손실과 시스템 거대화 문제가 발생합니다[8]. 이를 해결하기 위해 극저온에서 동작하는 제어·판독 회로를 큐비트 근처에 직접 집적하는 연구가 활발합니다. 예를 들어 KAIST 연구팀은 III–V 화합물 반도체 고전자이동트랜지스터(HEMT)를 큐비트 칩 위에 3차원 모놀리식 집적하는 기술을 선보였고, 4K 환경에서 세계 최고 수준의 트랜지스터 특성을 달성했습니다[9][10]. 인텔, IBM 등도 저전력 극저온 CMOS 회로를 개발하여 다중 큐비트의 온칩 제어를 구현하려는 노력을 기울이고 있습니다. 이러한 회로 설계·집적화 기술은 양자컴퓨터 확장성(scalability)의 핵심으로, 2024년 업계에서도 “큐비트 수 증대”에서 “큐비트 안정화”로 초점이 이동하여 안정적 하드웨어 구현에 주력하는 추세입니다[2].
그림 1: 대규모 양자컴퓨터 실현을 위해 큐비트 회로 칩(하단) 위에 극저온 동작 제어/판독 소자(상단)를 적층하는 3차원 집적 개념[10][8]. 이러한 설계로 수천–수만 큐비트에 개별 짧은 배선으로 연결된 온칩 제어회로를 구현, 배선 복잡도를 낮추고 신호 품질을 향상시킬 수 있다.
선도 기업 및 연구기관 (국내외)
양자컴퓨팅 하드웨어 개발에는 글로벌 기술기업과 연구기관들이 대거 참여하고 있습니다. 아래 표는 극저온 양자회로 분야의 대표적인 기업·기관과 그 동향을 정리한 것입니다:
| 기업/기관 | 국가 | 주요 기술 개발 및 성과 |
| IBM | 미국 | 초전도 큐비트 선도 기업. 127큐비트 Eagle 칩 발표(’21) 후 433큐비트 Osprey 구현, 2025년까지 1천+ 큐비트 로드맵[3]. 양자 클라우드 IBM Quantum 서비스 운영. |
| Google (Alphabet) | 미국 | 초전도 큐비트 기반 53큐비트 Sycamore 프로세서로 양자 우월성 달성(’19)[4]. 이후 오류보정 기술과 1000큐비트 이상 규모 확장 연구 중. |
| Rigetti Computing | 미국 | 게이트 기반 초전도 양자컴퓨터 스타트업. 모듈형 멀티칩 양자 프로세서 개발 추진[4]. 80큐비트 시스템 시제품 공개, 클라우드 서비스 제공. |
| Intel & QuTech | 미국/네덜란드 | 실리콘 스핀 큐비트 공동 연구. 300mm CMOS 공정으로 Si/SiGe 양자 점 소자 제작 및 다중 큐비트 실증. 극저온 제어칩(Horse Ridge) 개발로 온칩 제어 시도. |
| D-Wave Systems | 캐나다 | 세계 최초 상용 양자컴퓨터(양자 어닐링 방식) 개발사. 5000+ 큐비트 양자어닐러 시스템 출시[11]. 최적화 문제 특화, 일부 기업과 연구기관에 판매. |
| USTC & 중국과기대 | 중국 | 초전도 큐비트 및 광양자 병행 연구. 66큐비트 초전도 Zuchongzhi 프로세서로 양자 계산우위 실험(’21), 144모드 광양자 컴퓨터 구장 2호 발표 등[5]. |
| ETRI (한국전자통신연구원) | 한국 | 5큐비트 초전도 양자컴퓨터 시제품 개발 (국내 최초)[12]. 양자 알고리즘 연구와 함께 큐비트 칩 제작 기술 확보 중. |
| Norma (노르마) | 한국 | 양자 보안 스타트업에서 확장, 국내 첫 양자컴퓨터 “큐리온(Qrion)” 개발 중. 2023년 Q플랫폼 양자 클라우드 출시 및 올해 5큐비트 장비 출시 계획, 2026년 150큐비트 달성 목표[13][14]. |
| KRISS (표준과학연구원) | 한국 | 이온 트랩 및 원자기반 큐비트 연구 수행. 양자센싱용 원자시계 등 기초역량 보유. (극저온 회로보다는 양자센서 분야 기여) |
| 삼성전자 | 한국 | 양자센서·소자 관련 특허 출원 급증[15]. 반도체 인프라를 활용한 양자 반도체 소자 및 양자암호 기술 R&D 투자. |
각국에서는 이 밖에도 Tokyo-Q (도쿄대-IBM 협력 연구센터, 일본), IQM (핀란드, 초전도 양자칩 스타트업), Pasqal (프랑스, 중성자 원자 배열 방식) 등 다양한 기업·기관이 물리 플랫폼별로 경쟁하고 있습니다. 국내에서는 KAIST, 고려대 등에서 양자컴퓨팅 연구소를 설립하여 알고리즘부터 소자까지 연구를 확대하고, LG, SKT, KT 등의 민간 기업도 양자통신과 네트워크를 중심으로 참여하고 있습니다[12][16]. 전반적으로 IBM과 구글이 양자컴퓨팅 특허에서도 압도적 1·2위(2024년 기준 각 191건, 168건)를 차지하며 기술을 선도하지만[17], 다수 국가의 대학·연구소, 스타트업들이 활발히 따라가는 양상입니다[18][19].
상용화 가능성과 시장 전망
양자컴퓨터 하드웨어는 아직 기능 시연 단계이지만, 클라우드 형태로 초기 상용 서비스가 시작되었습니다. IBM, 구글, 아마존(AWS 브라켓) 등이 자사의 양자프로세서를 클라우드로 공개해 연구자와 기업이 시험 활용하도록 하고 있으며, D-Wave는 양자어닐링 기기를 Lockheed Martin 등 기관에 판매한 바 있습니다. 시장 분석에 따르면 2024년 약 4억 달러 수준인 양자컴퓨팅 시장 규모가 2035년에는 280억~720억 달러에 이를 것으로 전망되며[20][21], 나아가 2040년경에는 전체 양자기술 분야가 2000억 달러(약 260조 원) 규모까지 성장할 것이라는 예측도 있습니다[21]. 특히 금융, 제약, 소재, 물류 분야에서 양자컴퓨팅 수요가 클 것으로 기대되며[20], 하드웨어 성능 향상에 따라 NISQ 단계의 일부 활용(예: 포트폴리오 최적화, 물질 시뮬레이션)이 5년 내 현실화될 가능성이 거론됩니다. 다만 오류보정이 완비된 범용 양자컴퓨터 상용화는 10년 이상의 장기 과제로, 큐비트 수 확대와 코히런스 향상이라는 두 과제를 모두 충족해야 합니다. 이는 결국 극저온 회로 집적 기술의 돌파에 달려 있으며, 업계에서는 이러한 엔지니어링 문제 해결이 상용화의 분수령이 될 것으로 보고 있습니다[2]. 양자컴퓨팅이 현실성을 갖추면 이를 구현하는 부품·소재 공급망에도 막대한 기회가 발생할 전망입니다. 예를 들어, 초전도 칩 생산을 위한 특수 소재 및 공정, 극저온 장비 수요 등 양자 생태계 전체가 함께 성장하여 수조 원대의 새로운 양자 소재·부품 시장이 형성될 것으로 기대됩니다.
정부 및 민간의 R&D 과제 및 정책 지원 현황
각국 정부는 양자기술을 전략 분야로 지정하고 연구개발을 강력 지원하고 있습니다. 미국은 2018년 국가 양자 이니셔티브법(NQI) 제정 이후 DOE(에너지부), NSF(과학재단) 등을 통해 수십억 달러를 투입하여 국립 양자연구센터 설립과 인력 양성에 나섰습니다[22]. 유럽연합(EU)은 2018년부터 10년간 10억 유로 규모 양자플래그십 사업을 추진하며, 여러 국가의 대학·기업 컨소시엄이 양자컴퓨팅, 통신, 센싱 프로젝트를 수행 중입니다[23]. 중국은 안후이에 국가양자실험실을 건립하고 약 100억 달러에 달하는 예산을 투입해 국가 주도의 대규모 연구를 전개하고 있습니다[24]. 일본도 2020년 양자기술혁신전략 발표 후 10년 로드맵에 따라 관련 예산을 꾸준히 확대하고 있습니다[25]. 이러한 글로벌 경쟁 속에 한국 정부도 2021년 양자과학기술 중장기 전략을 수립하고 2035년까지 3조 원 규모 투자를 발표하였으며[26], 2023년에는 양자기술 로드맵 2.0을 통해 세부 분야별 목표를 업데이트했습니다. 다만 현재까지 누적 특허 등 성과 지표에서 한국은 세계 8위 수준으로, 미국 대비 기술격차가 있다는 평가입니다[27][28]. 실제 한국의 양자기술 특허 출원은 2371건으로 미국(3만여 건)의 1/9 수준이며, 중국·EU 등보다도 적어 연구 생태계 보강이 필요한 상황입니다[29][30]. 정부는 이러한 격차를 줄이기 위해 양자인력 양성사업, 산·학·연 컨소시엄 R&D, 핵심 부품 국산화 등을 지원하고 있습니다. 예를 들어, 과기정통부는 ETRI, KAIST 등이 참여한 50큐비트급 초전도 양자컴퓨터 개발 프로젝트를 추진하고 있고, 산업부는 양자센서 및 통신 부문에서 중소기업 기술개발을 뒷받침하고 있습니다. 민간 투자 측면에서는 구글, IBM 등 빅테크가 자체 연구소를 통해 수억 달러 규모 투자를 이어가고 있고, 마이크로소프트는 대학과 공동으로 토폴로지 큐비트 연구를 지원하는 등 기업 주도 R&D도 활발합니다[4][31]. 미국에선 QED-C(양자경제발전컨소시엄)를 결성하여 정부(NIST)와 기업이 공동으로 극저온 기술, 양자측정 등 기반 기술 개발을 진행하였으며[32], 유사한 산학협력 모델이 유럽(Quantum Industry Consortium)과 일본(기업-대학 연합 연구센터) 등에서도 나타나고 있습니다. 국내에서도 2024년 양자기술혁신거점 구축을 위한 기업 컨소시엄 논의가 진행되는 등 민간 참여를 확대하려는 움직임이 있습니다.
논문 및 특허 출원 동향
양자컴퓨팅 관련 학술 출판과 특허 출원은 최근 폭발적 증가세를 보이고 있습니다. 2010년대 중반까지만 해도 한 해 수백 편 수준이던 관련 논문은 2020년대 들어 수천 편대로 늘었고, PRX Quantum, Quantum Science and Technology 등 전문 저널도 신설되었습니다. 특허 동향을 보면, 세계지적재산권기구(WIPO)에 따르면 2020년대에 양자컴퓨팅 관련 특허가 연 50% 안팎의 고속 성장을 하고 있으며[18], 2023년에는 전년 대비 61%나 더 많은 양자컴퓨팅 특허가 발행되는 등 연구개발 성과가 지식재산으로 빠르게 축적되고 있습니다[33]. 특히 IBM과 구글이 2024년에만 각 190여 건의 양자기술 특허를 획득하여 1, 2위를 차지했고, 이후로는 마이크로소프트, Baidu, 아마존 등이 뒤를 잇는 양상입니다[17][34]. 흥미롭게도 초전도 큐비트 분야 특허가 다른 모든 구현방식을 합한 것에 맞먹을 정도로 가장 많아, 대기업들의 자원 투입이 이쪽에 집중되어 있음을 시사합니다[35]. 반면 양자닷(QD) 기술 특허는 2019년 정점을 찍은 후 감소세를 보이고 토폴로지 큐비트 분야 특허도 2023년에 약간 감소하는 등[36], 구현 방식별로 관심 변화가 나타납니다. 이는 일부 접근법의 난제가 부각되면서 연구 방향이 조정되고 있음을 보여줍니다. 한편 국가별 특허를 보면 중국이 양자 기술 전체 특허의 60% 가까이 차지하며 양적 우위를 보이나, 세부 물리플랫폼별 핵심 특허는 미국이 선도하고 있다는 분석도 있습니다[37]. 한국의 경우 앞서 언급했듯 특허 출원이 아직 미미하지만, 삼성전자를 비롯한 기업들이 관련 특허를 꾸준히 늘리고 있고[15], ETRI 등 연구기관도 초전도 회로, 양자암호 프로토콜 등 다각도로 출원 중입니다. 정부출연연구원은 2024년 한 해에만 100여 건의 양자기술 특허를 출원하는 성과를 내기도 했습니다[38][28]. 향후 논문·특허 모두 양적 팽창과 질적 성숙이 예상되며, 특히 오류보정, 집적회로, 양자소재 등 상용화의 병목을 푸는 연구에 연구계와 산업계의 지적재산이 집중될 것으로 전망됩니다[39].
2. 양자 패키징 기술 (방열 및 인터커넥트 등) (Quantum Packaging Technology – Thermal Management & Interconnect)
기술 개발 동향 및 주요 연구
양자 칩 패키징이란 큐비트 칩을 극저온 냉각기 내부에 장착하고 외부 제어선과 연결하며, 장기간 안정적으로 동작하도록 보호하는 기술입니다. 극저온 패키징은 일반 전자 패키징과 다른 여러 난제를 안고 있습니다. 우선 열 특성 측면에서, 이종 재료 간 열팽창계수(CTE) 차이로 인해 상온 대비 mK 환경에서 부품들의 수축 비율이 달라지면서 기계적 응력이나 계면 박리가 발생하기 쉽습니다[40]. 또한 저온에서는 금속 전기전도도가 향상되나 배선 구조에 따라 임피던스 불일치와 접촉저항 변화 등 문제가 생길 수 있고[41], 유기 절연체의 경우 유전특성이 급변하거나 깨지는 현상이 나타나 안정적 절연층 확보가 어렵습니다[42]. 더불어 패키지 내부 구성 요소를 결합하는 접착제나 솔더(solder) 역시 극저온에서 균열·박리가 없어야 하고, 진공 밀봉 유지와 열차폐를 동시에 만족해야 하는 등 까다로운 요구조건이 있습니다[43][44].
이러한 도전과제에 대응하여, 최근 특수 소재 개발과 정밀 공정 기술 연구가 활발합니다. 예를 들어 극저온 절연체로는 열적 안정성과 낮은 유전손실을 지닌 알루미나(Al₂O₃)나 실리카(SiO₂), 개질 폴리이미드나 PTFE 계열 고분자 등이 검토되고 있으며[45][46], 극저온 배선용 금속으로는 낮은 저항과 초전도 특성을 가진 금(Au), 알루미늄(Al), 니오븀(Nb) 등이 사용됩니다[47]. 특히 인듐(In) 합금 솔더는 156℃의 저융점과 극저온에서 연성을 유지하는 특성 덕분에 큐비트 칩과 기판 접합에 고신뢰 솔더로 각광받고 있습니다[48]. 저온 접착제도 에폭시 수지를 이소시아네이트로 개질하여 수축 균열을 억제하거나, 유리전이점이 매우 낮은 실리콘계 고무를 개발하는 등 노력이 진행되고 있습니다[49].
또한 패키징 구조의 집적화 및 모듈화도 중요 연구 주제입니다. 대형 양자 프로세서는 수백~수천 큐비트를 포함하게 되므로, 이를 하나의 칩에 모두 구현하기보다 다중 칩 패키지(MCP)나 3차원 스택 구조로 구성할 가능성이 큽니다[50]. 이를 위해 다층 기판 설계와 칩-온-웨이퍼(CoW), 웨이퍼-온-웨이퍼(WoW) 본딩 기술이 연구되고 있으며, 극저온에서도 층간 스트레스를 최소화할 수 있는 재료 접합과 초정밀 정렬 공정이 핵심으로 떠오르고 있습니다[51]. 아울러 패키지 내부 배선을 줄이고 신호 무결성을 높이기 위해 광신호 기반 인터커넥트도 검토됩니다. 예를 들어 실리콘 포토닉스 기술을 활용한 광-전 하이브리드 인터페이스를 도입하면 극저온에서 레이저/광섬유로 큐비트를 제어·판독하여 열부하와 잡음을 줄일 수 있을 것으로 기대됩니다[52]. 실제로 미국 MIT 연구진은 다중 큐비트 칩의 패키지에서 스푸리어스 모드(spurious mode)에 의한 에너지 손실을 억제하는 마이크로파 패키지 설계지침을 제시하고, 24포트 패키지에서 11GHz 이하 불필요 모드가 나타나지 않음을 실험으로 검증하기도 했습니다[53]. 이렇듯 패키징은 단순 연결을 넘어 신호 무손실 전송, 열 차폐, 진동 억제 등 시스템 공학의 총합이라 할 수 있으며, 점차 자동화된 대량 패키징 공정과 표준화된 소재/부품 개발로 나아가고 있습니다[54][55].
한편 양자 패키징 관련 상용 기술도 등장하고 있습니다. 이스라엘의 Quantum Machines사는 덴마크 QDevil과 함께 최대 64개의 고주파 라인을 내장한 초전도 칩 패키지 “QCage.64”를 2023년 발표하였습니다[56][57]. 이 패키지는 칩을 마이크로파 공동(cavity)에 부유시켜 외부로부터 거의 완벽히 격리하면서도 제어선 연결을 64채널까지 고밀도로 제공해, 높은 코히런스와 연결성을 양립하도록 설계되었습니다[57][58]. QCage와 같은 모듈형 패키지는 칩 실장, 본딩, 검사를 표준화하여 연구소에서 양산 환경까지 쉽게 이식할 수 있게 해주며, 나아가 다중 칩 교환과 업그레이드도 수월하게 합니다[59][60]. 그 외에도 미국 FormFactor사는 수백 개 배선을 갖춘 양자칩을 2K까지 자동 테스트할 수 있는 칩 스케일 프로버를 개발해 상용화했고, 이미 광자 집적회로나 단광자 검출기 검증에도 활용되고 있습니다[61][62]. 극저온 냉동기(딜류션 냉장고) 분야에서는 핀란드 Bluefors사가 업계를 선도하여 현재까지 전 세계에 1,500대 이상의 희석냉동기를 공급하며 사실상 표준 플랫폼을 구축했습니다[63]. Bluefors는 2025년 새로운 초대형 냉동 플랫폼(KIDE)을 발표, 1000개 이상의 큐비트를 수용할 수 있는 냉동 시스템으로 확장성을 크게 높였고[64], 더 나아가 헬륨-3 동위원소의 수급 문제를 해결하기 위해 달에서 Helium-3를 조달하는 프로젝트까지 추진하는 등[65], 향후 폭증할 양자 냉각 수요에 대비하고 있습니다. 이처럼 열관리와 인터커넥트 양 측면에서 혁신적인 패키징 연구·개발이 꾸준히 이루어지는 중입니다.
선도 기업 및 연구기관 (국내외)
양자 패키징 및 극저온 기술 분야에서는 전문 장비기업과 국방/산업용 냉각 기업들이 두각을 나타내고 있습니다. 주요 플레이어를 살펴보면 다음과 같습니다:
· Bluefors (핀란드) – 세계 1위 극저온 장비 제조사. 희석냉장고 분야 글로벌 점유율 1위로, 누적 1500대 이상 설치[63]. 최신 KIDE 플랫폼은 1000큐비트 이상 대형화 가능.
· Oxford Instruments Nanoscience (영국) – 희석냉동기 및 자석 일체형 저온시스템을 공급하는 전통 강자. ICT 및 물리 연구소에 광범위한 설치 기반.
· JanisULT / Lake Shore (미국) – 소형 극저온 냉동기, 프로브 스테이션 등 특수 측정용 냉각장치 공급. 양자센서 연구용 장비 전문.
· FormFactor (미국) – 큐비트 테스트 솔루션 개발 기업. 극저온 칩 프로버 시스템 IQ2000을 출시하여 2K 환경에서 복잡한 양자칩의 전기/광학 테스트를 2시간 내 수행[61].
· Northrop Grumman (미국) – 항공우주 기업이지만 혁신적 냉각 기술 연구에 참여. 다공성 유리 마이크로구를 냉동기 재생기(regenerator) 매질로 활용하는 등 차세대 경량 냉각 기술 개발[66].
· Triton Systems (미국) – 소재기술 기업으로, 수정된 Collins 사이클 기반 4단 극저온 엔진을 개발하여 4~10K 구간 냉각 성능을 향상[67]. NIST 컨소시엄 과제로 선정됨.
· Quantum Machines/QDevil (이스라엘/덴마크) – 앞서 언급한 QCage 패키지 출시[56]. 24~64채널 고주파 배선을 내장한 양자칩 캐리어를 상용화하여 다수 연구소에 공급 시작.
· Delft Circuits (네덜란드) – Cri/oFlex라 불리는 초저온 유연 고주파 배선을 개발. 필름형 리본 케이블로 수십 개 신호선을 극저온까지 손실 적게 연결 가능. Bluefors와 파트너십 체결로 냉장고 옵션으로 제공[68].
· 국내 기관 – 아직 상용 기업은 없으나, KIST 등에서 극저온 접착/봉지 소재 개발 연구를 수행하고 있고[49], KRISS는 초저온 온도제어 및 계측 기술을, ETRI는 5큐비트 시스템 통합을 통해 패키징 기술 경험을 축적 중입니다.
상용화 가능성과 시장 전망
양자 패키징 시장은 양자컴퓨터 하드웨어의 성장과 함께 동반 성장할 분야입니다. 현재는 연구용 장비 수요가 주를 이루지만, 향후 양자컴퓨터가 수십~수백대 규모로 구축되기 시작하면 전문 극저온 장치, 패키지 부품, 냉각 재료 등에 대한 시장이 본격 형성될 전망입니다. Bluefors 사례에서 보듯 이미 전 세계 유수 연구기관들이 수백 대의 냉동기를 구입하여 사용 중이며[63], 패키징 기술의 중요성이 부각됨에 따라 관련 스타트업 투자와 대기업의 인수합병도 늘어나는 추세입니다. 예컨대 2023년 Quantumiqo(핀란드)는 저가형 냉동기 개발로 시드 투자를 유치했고, IBM은 자체 패키징 기술 내재화를 위해 첨단 소재 기업과 협력하고 있습니다. 시장 규모를 수치화하기는 이르지만, 양자컴퓨팅 인프라 시장은 향후 10~15년간 수십억 달러대로 성장할 것으로 보입니다. 맥킨지 등에 따르면 2035년까지 양자통신을 포함한 양자기술 전체 시장 규모가 970억 달러에 달할 수 있으며[20], 이 중 상당 부분이 하드웨어 인프라에 해당합니다. 특히 극저온 분야는 일반 전자산업에 없는 독자 시장이므로 초기 진입 기업들이 과점적 지위를 확보할 가능성이 높습니다. 다만 상용화에서 가장 중요한 것은 신뢰성과 운용 비용입니다. 수백 mK로 냉각하는 데 드는 에너지와 유지보수 비용을 획기적으로 낮추고, 24/7 장기간 안정 운용을 보장해야 양자컴퓨팅이 진정한 비즈니스 인프라로 자리잡을 수 있습니다[54]. 이러한 측면에서 에너지 효율적이고 컴팩트한 냉각 솔루션 개발이 상용화의 관건이며, QED-C 프로젝트처럼 작고 저렴한 2~4K급 크라이오쿨러 개발이 산업계 관심을 받고 있습니다[67]. 실제 2025년 QED-C는 총 87.7만 달러 규모로 기업들과 공동 연구를 수행, 소형·저전력 냉동기 시제품을 선보였고 업계에 즉시 도입되는 사례를 만들었습니다[32][67]. 또한 양자컴퓨터가 커질수록 Helium-3 동위원소 등 희귀 냉매 수급도 이슈인데, Bluefors가 달 Helium-3 채굴 협약을 맺었듯 미래 수요 대응 움직임도 나타나고 있습니다[65]. 전반적으로, 양자 패키징 기술은 하드웨어 성능과 직결되므로 초기 양자컴퓨터 상용화의 필수 동반자로서 시장 가치가 높아질 전망입니다[54][69].
정부 및 민간의 R&D 및 정책 지원 현황
극저온 패키징은 국가 양자기술 로드맵에서 핵심 기술로 언급되는 경우가 많습니다. 미국 NIST는 앞서 언급한 QED-C 프로그램을 통해 민관 합동으로 극저온 혁신을 지원하였고[32], 국방성(DARPA)도 2020년대 초 Wiring 프로젝트 등으로 다채널 저온 배선 기술 개발을 후원한 바 있습니다. EU의 양자 플래그십에서도 독일 QSolid 프로젝트에서 신뢰성 높은 초전도 양자컴퓨터를 목표로 저손실 패키지와 재현성 공정기술을 과제로 삼았습니다. 일본은 NEDO를 통해 극저온 기술 개발을 기업에 지원하고 있으며, 캐나다 역시 IQPS (양자정온기 프로그램) 등으로 D-Wave, Xanadu 등의 하드웨어 인프라 확충을 뒷받침했습니다. 한국에서는 과기정통부가 2023년 신규과제로 초전도 양자 칩 패키징용 소재 개발을 공고하는 등 이 분야 R&D를 시작하는 단계입니다. 또한 2024년 양자기술예타 사업에는 극저온 기술 분야 예산이 일부 포함되었고, KBSI(기초과학지원연구원) 주도로 극저온 소재 평가 인프라를 구축하려는 움직임도 있습니다. 민간 차원에서는, 대기업보다는 스타트업/벤처에서 혁신이 활발합니다. 앞서 언급한 Quantum Machines(QDevil), Delft Circuits처럼 틈새 기술로 세계 시장을 선점하려는 시도가 대표적입니다. 국내에도 극저온 기술 인력을 양성하기 위해 KRISS와 대학 협력 프로그램이 운영 중이며, 몇몇 스타트업이 해외 장비 대리점 형태로 관련 사업을 준비하고 있습니다. 정책적으로는 표준화와 인증 체계 마련도 중요합니다. 극저온 커넥터, 케이블, 냉동기의 성능을 평가하는 국제표준이 아직 없기에, IEC 등 표준기구에서 향후 5년 내 관련 표준 제정을 논의할 것으로 전망됩니다. 정부 지원과 민간 혁신이 맞물려 안정적이고 경제적인 양자 패키징 기술이 확보된다면, 이는 곧 양자컴퓨팅 상용화의 가속으로 이어질 것입니다[55][69].
논문 및 특허 동향
패키징 기술은 양자컴퓨팅의 엔지니어링 분야로서, 관련 학술 연구도 점차 늘고 있습니다. 2021년 MIT Lincoin Lab 연구진의 PRX Quantum 논문은 다중 큐비트 패키지에서 기생 모드 제거와 재료 선택 가이드라인을 상세히 제시하여 실무에 큰 참고가 되었고[53], 2022년 IEEE IEDM 등 회로학회에서도 3D 집적 양자 칩 시연 결과가 발표되는 등 전통 반도체 커뮤니티와의 교류도 활발해졌습니다. 국내에서도 2022년 한국전자패키징학회에 양자 패키징 세션이 처음 신설되고, 2023년엔 KAIST에서 극저온 패키징 소재 관련 심포지엄이 열리는 등 관심이 증가하고 있습니다. 특허 측면에서는, 아직까지 큐비트 자체나 알고리즘 특허가 다수를 차지하지만 패키징 관련 출원도 서서히 나타나고 있습니다. IBM은 2019년 “양자솔루션 배선을 위한 다층 패키지” 특허를 출원했고, MIT에서는 “양자 칩 배열을 위한 소켓 커넥터” 특허를 내기도 했습니다. 다만 한 분석에 따르면 양자컴퓨팅 관련 특허 중 물리적 구현(하드웨어) 분야 특허는 10% 미만으로 파악되어[70], 패키징을 비롯한 하드웨어 특허는 아직 상대적으로 적은 편입니다. 그러나 하드웨어 특허의 파급력은 매우 커서, 한 번 등록되면 우회가 어렵고 산업 전반에 영향이 크므로[71] 기업들이 예의주시하고 있습니다. 최근 기업들이 특허를 통해 기술 선점에 나서는 추세도 뚜렷합니다. 예를 들어, 2023년 IBM과 구글이 출원한 특허들에는 다층 큐비트 모듈, 저온 자동화 배선, 고진공 밀폐 패키지 등의 기술이 포함되어 있어, 양자컴퓨터를 확장 가능하고 신뢰성 있게 조립하는 방법에 관한 권리를 선점하고 있음을 알 수 있습니다. 이러한 특허 경쟁은 향후 양자컴퓨터 생산 인프라를 구축하는 단계에서 중요한 요소가 될 것으로 보입니다.
3. 극저온 양자 반도체 소재 (Cryogenic Quantum Semiconductor Materials)
기술 개발 현황 및 주요 연구 동향
양자 소자에 쓰이는 반도체·초전도 소재의 혁신은 양자컴퓨팅 성능을 좌우하는 가장 기초적인 요소입니다. 대표적으로 초전도 큐비트는 나이오븀(Nb)이나 알루미늄(Al) 등의 금속 박막으로 만든 Josephson 접합을 이용하며, 절대온도 수십 밀리켈빈에서도 전기저항이 0에 가까운 초전도 상태를 유지해야 합니다[72]. 이러한 금속 박막의 품질이 큐비트 코히런스 시간과 직결되기 때문에, 업계에서는 결함 없는 증착 기술 개발에 집중해왔습니다[73]. 초고진공 스퍼터링, 분자선 에피택시(MBE), 원자층 증착(ALD) 등으로 10nm 두께까지 균질한 박막을 형성하고, 증착 후 표면 산화막을 최소화하는 것이 핵심입니다[74][75]. 예를 들어 Ames 연구소 등의 최근 연구에서는 초전도 재료 표면의 산화물이 디코히런스의 주요 원인임을 확인하고, 이를 줄이기 위한 열처리 및 재료 혼합기술을 탐구했습니다[74][75]. 한편, 박막 재료 자체의 선택도 중요합니다. Nb와 Ta(탄탈럼)는 비슷한 초전도 금속이지만, 2024년 연구에서 탄탈럼 박막으로 만든 큐비트가 나이오븀 대비 더 긴 코히런스 시간을 보였다는 결과가 보고되어 주목받았습니다[76]. 이는 재료의 격자 구조와 표면 질이 미세하게 달라 큐비트 성능에 영향을 준 사례로, 구글 등도 최근 큐비트 전극 소재로 탄탈럼을 도입하는 실험을 진행 중입니다. 이렇듯 “어떤 금속, 어떤 공정으로 큐비트를 만들 것인가”에 대한 지침이 점차 과학적으로 확립되고 있습니다.
스핀 큐비트 등 반도체 기반 양자소자의 경우, 사용되는 반도체 이종접합 구조와 결정 품질이 관건입니다. 실리콘 기반 스핀 큐비트는 Si/SiGe 혹은 GaAs/AlGaAs 같은 양자우물(quantum well) 구조로 전자를 2차원 평면에 가두어 스핀을 제어하는데, 이때 결정 격자 결함이 없는 에피택시 성장 기술이 필수적입니다[6]. 원자 단위로 매끄럽게 다른 격자를 접합해야 전자 스핀의 초미세 상호작용을 줄이고 긴 코히런스를 얻을 수 있기 때문입니다[77]. 이를 위해 IMEC나 인텔 등은 MBE, MOCVD 장비를 개조해 초고순도 Si/SiGe 에피층을 적층하고, 성장 과정에서 불순물이나 격자 긴장도를 정밀 제어하는 공정을 개발하고 있습니다. 또한 실리콘의 경우 자연존재하는 ^29Si 핵스핀이 스핀 큐비트에 잡음을 주기 때문에, 동위원소 순도 99.9% 이상의 Si-28 웨이퍼를 사용하는 등 소재 순도 향상도 병행됩니다[7]. 호주 UNSW와 기업 SQC는 단일 ^31P 원자를 실리콘에 주입해 큐비트를 구현하고, 수십 μs 이상의 코히런스를 확보하는 데 성공하였고, 인텔-QuTech는 2022년 스핀 큐비트 논리게이트의 고충실도(99% 이상)를 시연하며 이종접합 소재의 경쟁력을 보여주었습니다. 다만 현재까지 스핀 큐비트 칩은 수개 수준에 머물러 있으며, 수십 개 이상 확장하려면 결정 품질 균일한 대면적 웨이퍼 기술과 다중전자 제어 공정 등 추가 과제가 남아 있습니다.
양자점(QD) 나노소재도 양자정보 응용에 유용한 플랫폼입니다. 수 nm 크기의 반도체 양자점은 전자를 0차원 잠금상태로 가둘 수 있어 인공 원자처럼 동작하며, 이를 이용한 단일 광자 소스 또는 전하 큐비트 연구가 진행되어 왔습니다[78]. 대표적 소재로 InAs, CdSe, PbS 양자점 등이 연구되었으며, 콜로이드 용액 방식으로 합성하거나, MBE로 InAs 양자점을 자발적(self-assembled) 형성하는 방법 등이 개발되었습니다[79]. 양자점의 가장 큰 난제는 크기와 형태 제어입니다. 직경 몇 나노미터 차이로도 에너지 준위가 크게 변하기 때문에, 균일한 사이즈 분포를 달성하는 것이 곧 소자의 성능으로 이어집니다[80]. 최근에는 용액 합성된 콜로이드 양자점의 경우 표면 결함이 많아 광발광 효율이 낮은 문제를 리간드(유기 보호기) 교환이나 표면 패시베이션으로 개선하고, 에피택시형 양자점은 결정 품질은 뛰어나나 대량생산이 어려운 단점을 해결하기 위해 나노임프린트 리소그래피 등 톤당 수십억 개 찍어내는 공정도 모색되고 있습니다. 하지만 전반적으로 양자점 기반 양자컴퓨팅은 아직 양자 메모리나 중계기 수준의 연구가 주류이며, 직접적인 양자 프로세서로는 다른 플랫폼 대비 성숙도가 낮아 특허 동향에서도 2019년 이후로는 출원 감소 추이가 관찰됩니다[36]. 이는 양자점 연구가 양자통신 부속 기술로 옮겨가고 있음을 시사합니다.
고체 결함계(Solid-state defects)는 다이아몬드의 질소-빈자리(NV) 센터나 SiC의 V_
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결함 등 격자 결함에 포획된 전자스핀을 큐비트로 활용하는 소재입니다. NV 센터의 경우 전자스핀이 실온에서도 비교적 안정해 초정밀 자기장 센서로 실용화에 근접해 있고, 10ms 이상의 긴 스핀 코히런스 시간 덕분에 양자 중계기로서 분산형 양자네트워크에 응용될 가능성도 큽니다[81]. 다만 결함계 큐비트는 결함을 결정 내부에 원하는 밀도로 배치하는 것이 어려워 집적도 향상에 한계가 있습니다. 최근 Element Six 등의 기업이 초고순도 인공 다이아몬드를 제조하여 NV 센터 배열을 최적화하는 소재 공급을 하고 있고, 독일의 Quantum Brilliance 스타트업은 다이아몬드 결함 큐비트를 이용한 랙(rack) 크기 양자가속기를 개발하여 냉각 없이 동작시키는 것을 목표로 삼고 있습니다. 이처럼 상온동작 가능하고 상대적으로 저비용인 결함 큐비트 소재도 틈새 시장에서 각광받고 있습니다.
끝으로, 토폴로지 절연체 및 초전도체를 결합한 하이브리드 나노소재는 마요라나 페르미온 기반 토폴로지큐비트 구현을 향한 최첨단 연구 분야입니다. 인듐 안티모나이드(InSb) 나노와이어에 초전도 Al 전극을 접합한 구조나, 철 기반의 토폴로지 절연체 박막 등이 실험적으로 마요라나 준입자를 관측하기 위해 사용되었습니다. 마이크로소프트는 네덜란드 델프트대 등과 협력하여 수년간 이 소재를 탐구했으나 아직 명확한 증거를 얻지 못해 2023년 연구를 일시 중단하기도 했습니다. 토폴로지큐비트는 일단 구현되면 자체적으로 오류보정 특성을 지녀 꿈의 큐비트로 불리지만, 소재 개발의 난도가 극히 높아 장기적 기초연구 단계에 머물러 있습니다[82]. 그럼에도 불구하고 미국, 중국 등의 대학과 연구소에서 꾸준히 후속 연구를 진행 중이며, 국내에서도 IBS, KAIST 등이 소규모로 관련 연구를 수행하고 있습니다[83].
선도 기업 및 연구기관 (국내외)
양자 반도체 소재 분야는 곧 양자컴퓨터 하드웨어 제조와 직결되므로, 주요 양자컴퓨팅 기업들이 소재 연구를 함께 이끌고 있습니다.
· IBM 연구소 – 뉴욕주 왓슨 연구센터에 첨단 나노Fab을 구축, 알루미늄 조셉슨 접합 공정과 실리콘 격리 기판 등을 최적화하여 수만 개 결함 없는 큐비트 제작을 목표[73]. 2020년대 들어 재료팀을 신설하여 표면산화막 제어 등 코히런스 향상 소재기술에 집중.
· Google Quantum AI – 캘리포니아 산타바버라에 자체 칩 공장을 운영, 탄탈럼 기반 큐비트 공정을 도입하고 큐비트 당 결함 밀도를 낮추는 공정(“모노리스 공정”) 개발[76]. 또한 초전도-반도체 결합 소자 등 새로운 소재 시도.
· Intel & QuTech – 300mm CMOS 공정라인에서 Si 스핀 큐비트를 제작하는 독자공정 확립. 등가산소두께 EOT 5Å 이하의 고κ 게이트 절연막 등 기존 FinFET 공정을 응용해 제어선 집적. 저온전자공학(AQFP)과 결합 연구.
· Northrop Grumman – 미 정부 지원으로 초전도 전자소자(양자SLUG 증폭기 등) 소재를 연구. 얇은 NbN 초전도막을 활용한 양자 센서 개발 등.
· Universities (미 MIT 등) – MIT, 시카고대 등은 DOE SQMS 센터 참여로 Nb, Ta 박막의 나노결함을 분석하고 최적 성장법을 탐색[74][84]. UMD, 델프트대 등은 재료결함과 디바이스 성능의 상관관계를 측정하는 나노분석 기술 개발.
· Element Six (영국) – De Beers 산하 합성다이아몬드 기업으로, 세계 최고 순도의 다이아몬드 기판 제작. NV센터 밀도를 10^11/cm^3 수준으로 조절한 센서용 다이아몬드 상용화.
· Quantum Brilliance (호주/독일) – NV센터 기반 큐비트 모듈 개발 스타트업. 고체결함 큐비트를 랙마운트형 모듈로 제작해 슈퍼컴퓨터 보조 연산기로 투입 목표. 2022년 랩 프로토타입 공개.
· Microsoft Quantum – 미국, 덴마크, 네덜란드의 팀이 공동으로 InSb 나노와이어+초전도체 조합 토폴로지큐비트 연구. 비록 2021~22년 실험 재현 문제를 겪었으나 여전히 정교한 소재 합성 기술 축적.
· 국내 기관 – KIST 양자융합연구단은 초전도 나노소자(나노와이어 SNSPD 등)와 양자점 광원 소재 연구를 수행. KRISS는 초전도 회로의 재료 특성을 측정/교정하는 기술 보유. ETRI는 5큐비트 제작을 통해 Nb 박막 공정 기술을 내재화했고, 후속으로 50큐비트 제작을 추진 중. IBS(기초과학연구원) 내 여러 연구단(양자나노과학 등)에서 스핀 결함, 토폴로지 물질 특성 규명 연구. 삼성전자 종합기술원도 공개적으로 밝히진 않았으나 반도체 기반 양자센서 소재에 대한 연구 프로젝트를 진행하는 것으로 알려짐[85][86].
전반적으로 양자 소재 개발은 기업과 학계의 긴밀한 협력이 필요한 분야입니다. 국제적으로 대학-기업 조인트가 활발하며, 예를 들어 인텔-퀴텍, IBM-도쿄대, 구글-UCSB, 아마존-Caltech 등이 공동 연구센터를 통해 소재와 공정 기술을 함께 개발하고 있습니다[31]. 국내도 ETRI-기초연 등 협업으로 초전도재료 평가를 진행하고 있고, 대학-출연연 공동 연구실을 운영하는 사례가 늘고 있습니다.
상용화 가능성과 시장 성장 전망
양자 반도체 소재 자체가 상용화되는 사례는 아직 초기이지만, 일부 분야에서 서서히 시장이 형성되고 있습니다. 예를 들어 양자암호 통신용 단일광자 발생기에는 인디움 비소(InAs) 기반의 반도체 양자점 소자가 활용되기 시작했고, NV 자성 센서는 생명과학 분야에서 상용 제품화가 이루어졌습니다. 그러나 양자컴퓨팅용 소재 시장은 궁극적으로 완전한 양자컴퓨터 시스템 시장의 개화에 의존한다고 볼 수 있습니다. 앞서 언급한 대로 양자컴퓨팅이 2030년대에 수십조 원 규모로 성장할 것이라 예측되므로[20], 이를 구현하는 데 필요한 특수 웨이퍼, 박막소재, 나노부품 시장도 그에 상응하여 크게 성장할 것입니다. 특히 초전도 큐비트 칩은 기존 CMOS와 다른 공정을 필요로 하므로, 새로운 퀀텀 파운드리(Quantum foundry) 산업이 나타날 수 있습니다. 이미 미국에는 대학 주도로 양자 반도체 소자 전문 생산시설(예: UW Quantum Foundry)이 구축되고 있고, 유럽에서도 Imec 등이 양자 소자 시제품 생산라인을 마련 중입니다. 이러한 움직임은 장기적으로 양자전용 반도체 산업이 기존 반도체 산업 옆에 형성될 수 있음을 시사합니다.
또한 양자컴퓨팅 상용화 이전에도, 관련 소재 기술의 파생시장이 존재합니다. 극저온 전자소자 기술은 우주전자, 초고속 통신 등 다른 분야에 응용될 수 있고, 초전도 소재 기술은 의료(MRI)나 에너지(초전도 송전) 산업과도 연결됩니다. 예를 들어, 양자컴퓨팅 연구 중 개발된 탄탈럼 박막 증착 기술은 초전도 양자그램(Quantum gram) 센싱이나 초전도 메모리 개발에 응용되고 있습니다. 따라서 양자 소재 기술 투자는 단기적으로도 일부 수익을 창출할 가능성이 있습니다.
시장 전망을 수치로 보면, BCG는 2040년까지 양자기술로 인한 경제적 가치가 수천조 원에 달할 것으로 예상했고[87], 맥킨지도 2035년까지 약 1천억 달러의 양자시장 중 상당 부분이 하드웨어 매출이 될 것으로 보았습니다[20]. 이 중에는 당연히 재료 및 부품 판매도 포함됩니다. 예컨대, 극미세 결함이 제어된 양자 전자소자 웨이퍼나 초전도 나노와이어 등이 하나의 상품이 되어 거래될 수 있습니다. 수요 측면에서도, IBM이나 구글 같은 최종 양자컴퓨터 제조사를 제외한 많은 기업들은 자체 소재 개발 능력이 없으므로, 향후 전문 소재기업에 의존할 가능성이 높습니다. 이는 고품질 웨이퍼나 증착 서비스를 제공하는 B2B 소재 기업에게 새로운 시장이 열린다는 의미입니다. 현재 Silicon Quantum Technology(호주)나 Oxford Instruments(영국) 등이 이런 역할을 노리고 있습니다.
정부 및 민간 R&D 과제 및 정책 지원
양자 소재 연구는 국가 대형 과제의 지원을 받는 경우가 많습니다. 미국 DOE의 SQMS 센터는 앞서 언급한 대로 초전도 재료 결함 저감을 핵심 목표로 하고 있으며[88][84], 또 다른 QSA(Quantum Systems Accelerator) 센터는 초전도체 외에 초냉각 원자, 이온 소재 연구를 포함하고 있습니다. EU 양자플래그십은 소재 자체보다는 시스템에 초점을 맞추고 있으나, 개별 국가 프로젝트로 프랑스는 탄탈럼 초전도 큐비트, 독일은 집적 스핀 큐비트 CMOS 개발을 지원하고 있습니다. 영국은 2022년 Quantum Materials Acceleration 프로그램에 500만 파운드를 투입하여 상용화 가능 소재(초전도 기억소자 등)를 선정 지원했습니다. 중국은 소재 분야에서도 막대한 투자를 진행 중인데, 예를 들어 상하이 자교(嘉桥)에 구축한 초전도 양자컴퓨팅 공장은 소자 생산을 자체 수행할 수 있도록 국가자본으로 건설되었습니다. 일본은 장기간의 초전도 전문 인력과 재료기업(스미토모 등)이 있어 산학 협력이 잘 이루어지고, 2021년 시작된 MEXT 양자혁신전략에 재료 연구도 포함되었습니다.
한국은 양자 소재 측면에서 아직 R&D 초기단계지만, 2023년 과기정통부가 발주한 양자 핵심소재 기술 개발 과제에서 초전도 박막, 토폴로지 절연체, 다이아몬드 결함, 극저온 패키징 소재 등 6대 중점 분야를 지정하고 전략적 투자를 천명한 바 있습니다[89][90]. 이를 통해 각 분야별로 대학, 출연연, 기업을 묶은 연구단 컨소시엄이 구성되어 5년간 연구를 수행할 예정입니다. 예를 들어 한 컨소시엄은 토폴로지 절연체 기반 큐비트 소재 개발을, 다른 한 곳은 다이아몬드 NV 센터 소재 플랫폼 개발을 목표로 하고 있습니다[83]. 산업부도 양자센싱용 반도체 소자를 첨단전략기술로 포함시켜 일부 지원하고 있습니다. 민간에서는 삼성종기원이 대학들과 공동으로 반도체 양자소재 아이디어 과제를 지원하고, LG CNS 등이 양자암호 관련 소자 특허를 늘리는 등 간접 참여를 하고 있습니다.
정책 지원의 추세를 요약하면, “양자칩 자체를 만들 수 있는 인프라와 소재 주권 확보”로 모아집니다[91]. 이는 단기간에 성과를 내기 어려운 난제들이지만, 여러 국가가 장기적 관점에서 표준화와 신뢰성 평가 체계를 함께 구축하며 대응하고 있습니다[91][92]. 특히 양자 소재 기술은 개별로도 어려운 과제지만 동시에 시스템과 통합되어야 진가를 발휘하므로, 소재-공정-시스템 간 융합 연구개발이 중요하다는 인식이 큽니다[91]. 정부와 민간이 함께 이러한 생태계 조성에 힘쓴다면, 차세대 양자 산업에서 주도권을 잡을 수 있을 것으로 기대됩니다.
논문 및 특허 출원 동향
양자 소재 분야는 양자컴퓨팅 연구의 기초 저변인 만큼, 논문과 특허 모두 광범위한 전개를 보입니다. 학계 논문으로는, Nature, Science 등 톱 저널에 양자소재 관련 발견들이 잇따라 게재되고 있습니다. 예를 들어 2023년 Science지에는 상압에서 250시간 넘는 코히런스를 지닌 핵스핀 무결정 실리콘 소재 연구가 발표되었고, Nature Materials에는 토폴로지 초전도체 후보 물질의 마요라나 신호 검증 논문이 실렸습니다. 이러한 초미세 물질 분석 및 양자특성 제어 연구는 매년 증가추세이며, 재료과학 커뮤니티와 양자정보 커뮤니티의 융합이 가속되고 있습니다.
특허 동향을 보면, 앞서 살펴본 대로 양자컴퓨팅 전체 특허 중 절반 이상이 하드웨어 관련이며[35], 특히 IBM과 구글이 기초 물질·소자 특허를 대거 보유하고 있습니다[17]. 지역적으로는 중국이 양자 특허 수에서 60% 가까이 차지하지만, 세부적으로 보면 미국이 초전도, 스핀, 광자 등 각 물질 플랫폼별 핵심 특허 건수에서 앞선다는 분석이 있습니다[37]. 이는 미국 기업·대학이 소재 원천기술 특허를 다수 확보하고, 중국은 응용·소프트웨어 특허에 강점을 보이는 차이를 시사합니다[93]. 기술 분야별로는 오류보정, 통신 프로토콜 특허가 최근 급증했으나[39], 물리 구현 소재 관련 특허도 꾸준히 누적되고 있습니다. 예를 들어 IonQ는 2020년대 초 이온 큐비트 연결망 관련 특허 400여 건을 확보했고[94], D-Wave는 양자어닐링용 초전도 소자로 수백 건 특허 포트폴리오를 구축했습니다[95]. 국내에서는 양자 소재 관련 특허로 ETRI의 초전도 큐비트 설계 특허, KIST의 다이아몬드 NV 자외선 센서 특허 등이 출원되었으며, 삼성은 2022년 “양자점 기반 암호 키 분배 장치” 특허를 출원하는 등 기업도 움직임을 보입니다.
전망하기로는, 양자 소재·소자 특허 경쟁은 앞으로 더 치열해질 것입니다. 상용 양자컴퓨터가 현실화될 경우 핵심 소재 IP를 보유한 기업이 막대한 로열티와 시장지배력을 갖게 될 것이기 때문에[17][96], 현재의 특허 빅2인 IBM-구글 외에 각국 정부와 기업들이 방어적 특허 확보에 나설 가능성이 높습니다. 따라서 양자 연구자들도 논문으로만 끝내지 않고 특허 전략을 병행하는 추세이며, 특허청 심사관들 역시 양자기술 이해도를 높여 심사에 임하고 있습니다. 결국 논문으로 과학적 진보를 공유하고, 특허로 상업적 권리를 보호하는 이중 트랙이 양자 소재 분야에도 정착되어, 기술 발전과 산업 성숙을 함께 촉진할 것으로 예상됩니다.
결론 (Conclusion)
지금까지 극저온 양자회로 설계·집적화, 양자 패키징 기술, 극저온 양자 반도체 소재의 세 분야를 중심으로 국내외 기술 동향과 산업 전망을 살펴보았습니다. 요약하면, 양자컴퓨팅 하드웨어는 큐비트 소자 자체에서부터 이를 연결하고 구동하는 패키지, 그리고 그 근간이 되는 재료까지 전방위 혁신이 요구되는 분야입니다. 이들 각각이 개별로도 어려운 난제를 안고 있지만 동시에 상호 긴밀히 연계되어야만 최종 시스템 성능이 확보될 수 있습니다[82]. 특히 극저온 환경이라는 특수 조건 하에서 전자공학·재료과학·열공학의 융합 기술이 총동원되어야 하며, 이는 기존 반도체 산업의 경험을 활용하면서도 새로운 접근법을 개발해야 하는 도전입니다.
현재 글로벌 선도기업들과 각국 정부의 적극적인 투자로 50–100큐비트급 양자 프로세서 시제품이 속속 등장하였고, 패키징과 소재 측면에서도 코히런스 향상과 확장성 제고에 의미있는 성과들이 나오고 있습니다[3][84]. 그러나 실용적인 범용 양자컴퓨터까지는 여전히 갈 길이 멀며, 특히 수만 개 이상 대규모 큐비트 시스템을 실현하려면 지금보다 수백 배 이상의 집적 밀도와 안정성이 필요합니다[8]. 이를 위해 3차원 집적, 자동화 패키징, 신소재 개발 등 해결해야 할 과제가 뚜렷하며, 다행히도 이러한 분야에서 산학연의 공동 노력이 점차 본격화되고 있습니다.
향후 10년은 양자 기술 상용화의 변곡점이 될 것으로 전망됩니다. 이 기간 동안 정부의 지속적 지원과 민간의 기술 축적이 어우러진다면, 우리나라도 핵심 양자 소재·부품·장비를 상당 부분 자립화하고 글로벌 가치사슬에 참여할 수 있을 것입니다. 나아가 이러한 기반 산업의 육성은 곧 양자컴퓨팅뿐 아니라 양자센싱, 양자통신 등 파생 분야의 경쟁력으로 이어져 양자 기술 강국 도약의 토대가 될 것입니다. 결국 양자의 시대를 앞당기는 열쇠는 뛰어난 알고리즘뿐만 아니라 뒷받침하는 하드웨어 소재 기술에 있으며[92], 이에 대한 꾸준한 투자와 연구가 미래를 결정지을 것입니다.
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