[미래기술] 양자논문 분석_Challenges and opportunities for quantum information hardware

양자정보 하드웨어는 어디까지 왔고, 무엇을 넘어야 하는가

논문명: Challenges and opportunities for quantum information hardware
저널: Science
발표일: 2025년 12월 4일
저자: David D. Awschalom, Hannes Bernien, Ronald Hanson, William D. Oliver, Jelena Vučković
논문 유형: Review
DOI: 10.1126/science.adz8659

 

양자컴퓨터를 둘러싼 뉴스는 흔히 몇 큐비트인지, 어느 기업이 더 빠른 장비를 발표했는지에 집중된다. 그러나 Science에 실린 이 리뷰 논문은 다른 질문을 던진다.

 

“현재의 양자 하드웨어는 정말 대규모로 확장될 수 있는가?”

 

저자들의 답은 단순하지 않다. 지난 10여 년 동안 양자기술은 분명 빠르게 발전했다. 양자센싱과 양자키분배는 일부 실제 응용으로 이동하고 있다. 초전도 큐비트, 이온트랩, 중성원자, 반도체 스핀, 광자, 스핀 결함 등 여러 하드웨어 플랫폼도 실험실 수준을 넘어 시스템 실증 단계로 나아가고 있다.

 

그러나 범용 양자컴퓨터, 얽힘 기반의 고성능 양자센싱, 전 세계를 연결하는 양자인터넷은 아직 초기 트랜지스터 시대에 가깝다. 논문은 양자기술이 “이미 완성된 혁명”이 아니라, 하드웨어·소재·제조·제어·통신의 혁신을 더 요구하는 장기 프로젝트라고 진단한다.

 

 

논문의 핵심 질문

 

이 논문은 특정 양자컴퓨터 기업의 성과를 비교하거나 특정 큐비트 방식의 우위를 선언하지 않는다. 대신 현재의 양자정보 하드웨어가 가진 성과와 한계를 종합하고, 실제로 대규모 양자정보 시스템으로 발전하기 위해 필요한 조건을 정리한다.

 

핵심 질문은 다음과 같다.

• 수십 개 또는 수백 개 큐비트의 실험 장치에서 어떻게 수천~수만 개의 논리 큐비트 시스템으로 갈 것인가
• 오류가 많은 물리 큐비트를 어떻게 안정적인 논리 큐비트로 전환할 것인가
• 수많은 큐비트를 제어하기 위한 배선과 전력, 냉각 문제를 어떻게 풀 것인가
• 서로 다른 양자 하드웨어를 어떻게 연결해 하나의 대규모 시스템으로 만들 것인가
• 양자기술은 반도체 산업처럼 연구실의 성과를 제조와 산업 인프라로 옮길 수 있는가

저자들은 이 질문에 답하기 위해 고전 반도체와 광자산업의 발전사를 참고한다. 진공관에서 트랜지스터로, 집적회로에서 CMOS와 3차원 반도체 구조로 발전한 과정은 단지 좋은 소재 하나가 발견됐기 때문에 가능했던 것이 아니다. 시스템이 요구하는 성능을 기준으로 소재·소자·회로·제조공정·장비가 함께 설계됐기 때문이다.

 

논문은 양자기술도 같은 방식의 공동설계가 필요하다고 주장한다.

양자기술은 아직 ‘초기 트랜지스터 시대’다

저자들은 현재의 양자컴퓨팅, 양자네트워킹, 얽힘 강화 센싱 기술을 초기 트랜지스터 시대에 비유한다.

 

이 비유는 양자기술이 의미 없다는 뜻이 아니다. 초기 트랜지스터도 당시에는 오늘날의 CPU나 GPU와 비교할 수 없을 만큼 성능이 제한적이었다. 그러나 소재, 공정, 회로, 제조기술이 수십 년에 걸쳐 축적되면서 현대 디지털 산업의 기반이 됐다.

 

양자기술도 지금은 비슷한 단계에 있다는 것이 논문의 시각이다.

 

현재 클라우드로 접근 가능한 양자컴퓨터는 연구와 교육, 알고리즘 시험이라는 목적에서는 상당한 기술성숙도에 도달했다. 그러나 신약개발, 대규모 화학 시뮬레이션, 암호해독, 복잡한 산업 최적화처럼 상업적으로 의미 있는 문제를 안정적으로 풀기에는 아직 부족하다.

 

논문은 대규모 소인수분해나 양자화학 알고리즘을 실행하려면 수천~수만 개의 오류보정 논리 큐비트가 필요할 수 있다고 설명한다. 이를 위해서는 수백만 개의 물리 큐비트가 높은 충실도로 작동하고, 수십억~수조 회의 양자 게이트 연산을 수행해야 한다.

 

여기서 중요한 차이가 나온다.

 

물리 큐비트는 실제 하드웨어에 구현된 기본 단위다. 하지만 주변 열, 전자기 간섭, 소재의 미세 결함, 제어 신호의 불완전성 때문에 오류가 발생한다.

 

논리 큐비트는 여러 물리 큐비트를 묶어 오류를 검출하고 보정하도록 만든 계산 단위다. 실제로 유용한 양자컴퓨팅의 기준은 물리 큐비트 숫자보다 안정적으로 작동하는 논리 큐비트의 수에 더 가깝다.

큐비트 수만으로는 판단할 수 없다

양자컴퓨팅 뉴스에서 큐비트 수는 가장 눈에 띄는 숫자다. 그러나 이 논문은 큐비트 수만으로 장비의 실질적 성능을 판단하는 것은 불충분하다고 강조한다.

 

대규모 양자컴퓨터에 필요한 것은 다음 조건들의 결합이다.

• 높은 단일·2큐비트 게이트 충실도
• 긴 결맞음 시간
• 빠른 제어와 읽기
• 낮은 상호간섭
• 안정적인 오류정정
• 대규모 배선과 제어 체계
• 재현 가능한 제조 공정
• 낮은 전력과 냉각 부담
• 모듈 간 고성능 연결

초전도 큐비트 플랫폼은 현재 100개 이상의 큐비트를 2차원 배열로 배치한 프로세서를 보유하고 있다. 논문은 대규모 배열에서 단일 큐비트 게이트 충실도가 약 99.95~99.99%, 2큐비트 게이트 충실도가 약 99.5~99.9% 수준이라고 정리한다.

 

숫자만 보면 매우 높은 정확도처럼 보인다. 그러나 양자오류정정은 극도로 많은 연산과 수많은 큐비트가 동시에 작동하는 환경을 전제로 한다. 0.1% 또는 0.01%의 작은 오류도 연산 횟수와 시스템 규모가 커지면 치명적인 문제가 될 수 있다.

 

논문은 초전도 큐비트를 활용한 표면 코드 오류정정 사례를 소개한다. 코드 거리를 3에서 5, 다시 7로 늘리면서 각각 17개, 49개, 97개의 물리 큐비트를 사용했을 때 논리 오류율이 단계마다 두 배 이상 줄었다. 코드 거리 5와 7에서는 논리 큐비트의 오류율이 가장 우수한 개별 물리 큐비트의 오류율보다 낮아졌다.

 

이 성과의 의미는 분명하다. 더 많은 물리 큐비트가 반드시 더 많은 오류를 의미하는 것은 아니다. 적절한 오류정정 구조와 충분한 성능이 결합되면, 여러 개의 불완전한 큐비트가 하나의 더 안정적인 논리 큐비트를 만들 수 있다.

 

다만 이는 대규모 내결함성 양자컴퓨터가 이미 완성됐다는 뜻은 아니다. 오류정정의 방향성과 가능성을 보여준 중요한 단계로 보는 것이 정확하다.

여섯 가지 하드웨어 플랫폼

논문은 양자정보 하드웨어를 여섯 가지 주요 플랫폼으로 살핀다.

• 초전도 큐비트
• 반도체 양자점과 스핀 큐비트
• 고체 속 스핀 결함
• 이온트랩
• 중성원자 배열
• 광자 큐비트

논문은 어느 하나가 절대적 승자가 될 것이라고 보지 않는다. 플랫폼마다 장점과 한계가 다르고, 미래 시스템은 여러 기술이 결합된 이종통합 구조가 될 가능성이 크다고 전망한다.

초전도 큐비트

초전도 큐비트는 빠른 연산 속도가 강점이다. 논문에 따르면 큐비트 연산은 약 10~40나노초에 이뤄지고, 읽기는 100~200나노초 안에 99% 이상의 충실도로 가능하다. 오류정정 주기는 약 1마이크로초 수준이다.

 

그러나 초전도 방식은 극저온 냉각이 필요하고, 큐비트마다 제어와 읽기를 위한 배선이 필요하다. 큐비트 수가 수백만 개로 늘어나면 냉각장치, 배선, 열관리, 제어 전자장치가 거대한 병목이 될 수 있다.

반도체 양자점과 스핀 큐비트

반도체 양자점 큐비트는 실리콘과 게르마늄 기반 공정과 연결될 수 있다는 점에서 주목받는다. 크기가 작고 집적도 측면에서 장점이 있으며, 게이트 연산 속도는 기가헤르츠 수준에 접근할 수 있다.

 

논문은 300mm 반도체 파운드리 환경에서 제작된 2큐비트 장치에서도 99% 수준의 게이트 충실도가 재현됐다고 소개한다. 이는 양자기술이 기존 반도체 제조 생태계와 접점을 만들 수 있음을 보여준다.

 

다만 작은 크기는 개별 큐비트를 선택적으로 제어해야 하는 배선 문제와 상호간섭 문제를 만든다. 소재의 균일성, 전자 상태의 안정성, 극저온 동작 환경도 여전히 중요한 과제다.

고체 속 스핀 결함

스핀 결함은 다이아몬드나 반도체 결정 안의 원자·이온 결함을 큐비트로 활용하는 방식이다. 광자 인터페이스를 활용할 수 있고, 전자 스핀은 수 초, 핵스핀은 수 분에 이르는 긴 결맞음 시간을 가질 수 있다는 장점이 있다.

 

이 방식은 양자네트워크와 양자센싱에 특히 유망하다. 논문은 다이아몬드와 희토류 이온 결정 등을 이용해 최대 3개 노드와 5개 큐비트 규모의 네트워크가 실험실에서 구현됐으며, 수십 km의 통신용 광섬유를 통한 얽힘도 시연됐다고 소개한다.

 

하지만 얽힘 분배의 충실도는 약 80~90%, 속도는 초당 수십 회 수준에 머무른다. 대규모 네트워크를 만들려면 얽힘 분배 속도와 성공률, 광자 검출 효율, 모듈 연결 성능을 크게 개선해야 한다.

이온트랩

이온트랩은 전하를 띤 원자를 전자기장으로 가둔 뒤, 원자의 에너지 준위를 큐비트로 사용하는 방식이다. 이온은 같은 원소라면 서로 물리적 특성이 같다는 장점이 있고, 결맞음 시간이 길며 높은 충실도의 게이트 연산이 가능하다.

 

그러나 하나의 트랩 안에서 이온 수를 계속 늘리는 데는 한계가 있다. 논문은 100개 이상의 이온으로 확장하는 일이 어렵다고 보고, 이온을 여러 구역으로 이동시키거나 여러 모듈을 연결하는 방식이 필요할 수 있다고 설명한다.

중성원자 배열

중성원자 방식은 광학 집게로 중성 원자를 정밀하게 배열해 큐비트로 사용하는 기술이다. 원자를 광학 격자나 광학 집게에 가두고, 리드베리 상태를 활용해 원자 사이에 강한 상호작용을 만든다.

 

중성원자 방식의 강점은 대규모 배열 가능성이다. 논문은 현미경 시야 안에서 만들 수 있는 광학 집게 수가 최대 약 10만 개 수준까지 확장될 잠재력이 있다고 소개한다.

 

하지만 대규모 원자 배열을 실제 오류보정 양자컴퓨터로 전환하려면 정밀 레이저 제어, 원자 이동, 광학 장치 성능, 게이트 충실도, 대규모 보정과 제어 문제를 모두 풀어야 한다.

광자 큐비트

광자는 장거리 통신과 양자 모듈 간 연결에 적합하다. 광자는 서로 다른 양자시스템을 연결하고, 제어신호를 다중화하며, 양자네트워크를 구성하는 핵심 매개체가 될 수 있다.

 

그러나 광자 플랫폼은 손실이 큰 문제가 있다. 양자컴퓨팅에서는 광자 하나의 손실이 곧 정보 손실로 이어질 수 있다. 고효율 단일광자 광원, 고성능 광검출기, 저손실 광회로, 광자 클러스터 상태 생성 기술이 필요하다.

 

논문은 광자기술이 양자컴퓨터의 독립된 플랫폼일 뿐 아니라, 초전도·이온트랩·중성원자·스핀 결함 등 다른 플랫폼을 연결하는 기반 인프라가 될 수 있다고 본다.

네 가지 공통 병목

논문은 플랫폼마다 기술적 특징은 다르지만, 대규모 양자정보 시스템으로 가는 공통 병목이 있다고 정리한다.

 

첫 번째는 소재와 제조다.

 

양자기술은 미세한 표면 결함, 재료 불순물, 계면 상태, 공정의 작은 편차에도 민감하다. 고전 전자기기에서는 허용되는 수준의 손실과 결함도 양자시스템에서는 결맞음 붕괴와 연산 오류로 이어질 수 있다.

 

따라서 양자 하드웨어는 단순한 실험 성공이 아니라, 동일한 성능을 반복적으로 재현할 수 있는 제조 공정이 필요하다. 논문은 기존 반도체 제조 장비와 공정을 최대한 활용하되, 저손실 소재와 특수 공정, 새로운 계측·검증 장비가 필요하다고 본다.

 

두 번째는 배선이다.

 

현재 여러 양자 플랫폼은 큐비트 하나당 1~3개의 제어·읽기 채널을 요구한다. 수백만 개 큐비트를 단순하게 배선하는 방식은 비용과 열, 결함 밀도 때문에 불가능에 가까워진다.

 

이를 해결하려면 하나의 채널이 여러 큐비트를 다루는 신호 다중화, 극저온 CMOS 제어회로, 초전도 논리, 집적광학 제어기술 등이 필요하다. 그러나 제어회로를 큐비트 가까이에 통합하면 열과 잡음, 상호간섭이 발생할 수 있다. 배선 문제는 단순히 선의 숫자를 줄이는 문제가 아니라, 고정밀 제어와 낮은 오류율을 함께 유지하는 문제다.

 

세 번째는 보정과 제어다.

 

큐비트는 제작 과정의 미세한 차이, 주변 환경 변화, 제어신호의 흔들림에 민감하다. 큐비트 수가 많아질수록 각각의 큐비트를 측정하고 조정하며, 큐비트 사이의 상호간섭까지 관리하는 작업은 훨씬 어려워진다.

 

논문은 이 문제를 해결하기 위해 머신러닝이 이미 활용되고 있다고 설명한다. 여기서 AI는 양자컴퓨터를 대체하는 기술이 아니라, 양자 하드웨어를 자동으로 보정하고 최적화하며 이상을 감지하는 운영 도구로 기능한다.

 

네 번째는 크기와 전력이다.

 

현재의 양자컴퓨터는 우선 작동 여부에 초점이 맞춰져 있다. 그러나 수백만 큐비트 규모로 확장하면 냉각장치, 레이저, 제어 전자장치, 광학장비, 데이터 처리 장비의 크기와 전력소비가 결정적인 문제가 된다.

 

초전도 큐비트는 약 1제곱밀리미터 정도의 면적을 차지하고 극저온 냉각을 요구한다. 중성원자 방식은 대규모 고출력 레이저와 정밀 광학장비를 필요로 한다. 결국 양자컴퓨터의 실용성은 연산 성능뿐 아니라 설치 면적, 전력, 냉각 비용, 유지보수 비용을 감당할 수 있는지에 달려 있다.

해법으로 제시된 모듈형 구조

논문이 제시하는 가장 중요한 해법은 모듈형 양자컴퓨터다.

현재처럼 하나의 칩 또는 하나의 장비 안에 모든 큐비트를 계속 집적하는 방식은 배선·냉각·전력·보정·제조 문제를 급격히 키운다. 저자들은 이를 넘기 위해 작은 양자 모듈을 만들고, 여러 모듈을 양자 인터커넥트로 연결하는 구조가 필요하다고 주장한다.

 

이 구조는 오늘날의 데이터센터와 비교해 이해할 수 있다.

 

데이터센터는 하나의 거대한 프로세서가 모든 계산을 처리하지 않는다. 수많은 서버, GPU, 메모리, 저장장치, 네트워크 장비가 역할을 나눠 수행하고 고속 연결망으로 묶인다.

 

논문이 그리는 미래의 양자정보 시스템도 이와 유사하다. 양자 프로세서, 양자 메모리, 저장장치, 라우터, 중계기, 고전 제어계층, 양자 연결망이 각자의 역할을 수행하는 구조다.

 

모듈형 구조는 여러 장점을 갖는다.

• 배선·냉각·전력·보정 문제를 하나의 모듈 안에서 관리 가능한 규모로 제한할 수 있다
• 처리, 저장, 통신 등 기능별로 다른 양자기술을 최적화할 수 있다
• 시스템을 점진적으로 확장하고 일부 모듈을 교체·개선할 수 있다
• 오류정정 코드와 시스템 구조를 더 유연하게 설계할 수 있다
• 단일 칩의 제조 불량이나 수율 문제에 시스템 전체가 좌우되는 위험을 줄일 수 있다

그러나 모듈형 구조는 새롭고 어려운 문제를 만든다. 모듈과 모듈을 연결하는 양자 인터커넥트가 높은 충실도와 빠른 속도, 충분한 가용성을 제공해야 한다.

 

광자를 활용한 얽힘 분배는 고품질 연결을 만들 수 있지만 성공이 확률적이라는 문제가 있다. 칩 사이에 양자 상태를 직접 전달하는 방식도 원리적으로는 가능하지만, 손실 때문에 실제 구현에서는 어려움이 따른다.

 

결국 양자 모듈을 안정적으로 연결하는 기술이 대규모 양자컴퓨팅의 핵심 관문이 될 수 있다.

이종통합과 광자 인터커넥트

논문은 미래의 양자정보 시스템이 하나의 플랫폼만으로 구성되기보다, 여러 기술이 결합된 이종통합 시스템이 될 가능성이 높다고 본다.

 

처리에는 빠른 연산이 가능한 초전도 큐비트가 적합할 수 있다. 저장에는 긴 결맞음 시간을 가진 시스템이 유리할 수 있다. 장거리 연결에는 광자가 필요할 수 있다. 정밀 측정에는 원자나 고체 스핀 결함 기반 센서가 더 적합할 수 있다.

 

이러한 시스템을 만들려면 서로 다른 주파수와 작동 환경을 가진 장치를 연결해야 한다. 예를 들어 초전도 큐비트는 마이크로파 영역에서 작동하지만, 광섬유 통신은 광학 영역을 사용한다. 이 둘을 연결하려면 마이크로파 신호를 광신호로, 다시 광신호를 마이크로파 신호로 바꾸는 양자 주파수 변환 기술이 필요하다.

 

논문은 현재의 양자 변환기와 주파수 변환 장치가 효율이 아직 낮으며, 이것이 대규모 양자 네트워크와 이종통합을 가로막는 병목이라고 지적한다.

 

이를 해결하기 위한 후보로는 박막 리튬 나이오베이트, 스트론튬 타이타네이트, 실리콘카바이드, 질화실리콘, 질화알루미늄 등 새로운 광학·전자 소재와 집적광학, 3차원 집적, 저손실 도파로 기술이 제시된다.

반도체 역사에서 배우는 교훈

논문은 양자기술의 발전을 지나치게 빠른 시간표로 판단하지 말아야 한다고 강조한다.

 

반도체 산업의 핵심 기술인 EUV 리소그래피는 1990년대부터 연구가 본격화됐지만, 실제 반도체 대량생산에 적용된 것은 2019년이었다. 오늘날 첨단 반도체 공정에서 중요한 원자층 증착 기술 역시 1960~1970년대에 개발됐지만, 미세·비평면 구조 반도체 제조에서 본격적으로 활용된 것은 2000년대 이후였다.

 

이 사례가 말해주는 것은 분명하다. 기술적으로 중요한 원리가 발견됐다고 해서 곧바로 산업 규모의 제조와 상용화가 이뤄지는 것은 아니다.

 

양자기술도 마찬가지다. 대규모 양자컴퓨터가 현실이 되려면 새로운 큐비트 원리뿐 아니라 소재 정제, 나노공정, 광학부품, 냉각장치, 제어전자장치, 소프트웨어, 오류정정, 표준, 인력, 공급망이 오랜 시간 함께 발전해야 한다.

논문을 비판적으로 읽을 지점

이 논문은 양자 하드웨어 전반을 폭넓게 조망한 권위 있는 리뷰다. 하지만 몇 가지 지점은 비판적으로 읽을 필요가 있다.

첫째, 기술성숙도 평가의 한계다.

 

논문은 여러 양자 플랫폼의 기술성숙도 수준을 비교하기 위해 TRL, 즉 기술성숙도 단계를 사용한다. 그런데 논문은 그림에 제시된 TRL 값이 ChatGPT와 Gemini에 질의해 얻은 평가를 기반으로 한다고 밝힌다.

 

저자들도 이를 절대적 평가가 아니라 각 플랫폼의 상대적 성숙도를 보여주는 제한적 스냅샷으로 해석해야 한다고 설명한다. 이 대목은 오히려 양자기술의 성능을 비교하는 공통 지표가 아직 완전히 정립되지 않았다는 현실을 드러낸다.

 

둘째, 반도체 산업의 성장 경로를 그대로 양자기술에 적용하기는 어렵다.

 

반도체는 트랜지스터 집적도가 꾸준히 증가하며 대중적 범용 컴퓨팅으로 이어졌다. 그러나 양자컴퓨터는 오류정정 비용이 크고, 양자 상태가 극도로 취약하며, 어떤 산업 문제에서 고전 컴퓨터보다 경제적으로 큰 이점을 낼지 아직 완전히 확정되지 않았다.

따라서 ‘양자판 무어의 법칙’ 같은 단순한 성장 서사는 경계해야 한다.

 

셋째, 사회적 거버넌스 문제는 상대적으로 짧게 다뤄진다.

 

논문은 프라이버시, 표준, 윤리·법적 문제, 전문인력 양성의 중요성을 언급한다. 그러나 양자암호 전환의 사회적 비용, 감시기술의 오남용, 군사적 이중용도, 국가 간 기술격차 같은 문제는 깊게 다루지 않는다.

이 부분은 양자기술의 하드웨어와 정책·안보·제도 문제를 함께 분석하는 별도의 논의가 필요함을 보여준다.

정리

이 논문은 양자기술을 바라보는 기준을 바꿔준다.

 

양자컴퓨터의 미래는 단순히 더 많은 큐비트를 한 칩에 올리는 경쟁으로 결정되지 않는다. 오류를 줄이고, 수많은 큐비트를 제어하며, 배선과 전력·냉각 문제를 감당하고, 모듈을 안정적으로 연결하며, 이를 반복 가능하게 제조하는 능력이 함께 필요하다.

 

양자정보 하드웨어는 이미 실험실을 벗어나고 있다. 그러나 범용 양자컴퓨터와 글로벌 양자네트워크로 가기까지는 여전히 소재·제조·제어·광자통신·오류정정·시스템 설계의 큰 장벽이 남아 있다.

 

이 논문이 던지는 가장 중요한 메시지는 다음과 같다.

 

양자컴퓨터의 진짜 경쟁은 큐비트 발표 경쟁이 아니다. 그것은 양자칩, 광자 인터커넥트, 반도체 공정, 냉각과 제어장치, 오류정정 소프트웨어를 하나의 산업 시스템으로 연결할 수 있는가의 경쟁이다.

논문 정보

David D. Awschalom, Hannes Bernien, Ronald Hanson, William D. Oliver, Jelena Vučković, “Challenges and opportunities for quantum information hardware,” Science, 2025년 12월 4일.

DOI: 10.1126/science.adz8659.