반도체 칩 '소형화 한계' 해법은?…"양자기술로 퀀텀점프 가능"

김재수 한국과학기술정보연구원장이 27일 서울 여의도 콘래드호텔에서 머니투데이 주최로 열린 '2023 키플랫폼' 특별세션에서 '데이터 기반 양자기술의 미래'에 대해 기조강연을 하고 있다. /사진=이기범 기자 leekb@

양자기술(Quantum Technology)로 반도체 칩의 이른바 '소형화 한계'를 극복할 수 있다는 분석이 나왔다. 반도체 집적회로 성능은 2000년대 초까지 2년마다 2배로 성장했지만 소형화 한계로 반도체 산업은 정체기를 맞았다. 이를 극복하기 위해 민관이 의기투합해 양자기술 확보 총력전을 펼쳐야 한다는 목소리가 뒤따랐다.

김재수 한국과학기술정보연구원(KISTI) 원장은 27일 서울 여의도 콘래드호텔에서 열린 머니투데이 글로벌 콘퍼런스 '2023 키플랫폼'(K.E.Y. PLATFORM 2023)에서 '데이터 기반 양자기술의 미래'를 주제로 기조강연하며 이같이 밝혔다.


김 원장은 "반도체 칩 소형화 한계 상황으로 양자컴퓨터가 더 주목받는다"며 "양자컴퓨터는 이전에 불가능했던 방식으로 데이터를 처리·분석할 수 있어 반도체 구조 최적화 계산과 신소재 등을 발굴할 수 있다"고 강조했다.

그러면서 "고든 무어의 법칙에 따라 반도체 집적회로 성능은 18~24개월마다 2배 증가했지만 2000년대 초반 이후 성능 증가속도가 둔화됐다"며 "반도체 성능을 늘리려면 트랜지스터 개수를 늘려야 하는데 이 과정에서 전기 사용이 늘어나 열 증가, 반도체 간 상호간섭으로 누설 전류량이 증가해 소형화가 어려워졌다"고 말했다.

미래 산업 게임체인저 '양자컴퓨터'

김재수 한국과학기술정보연구원장이 27일 여의도 콘래드 서울에서 머니투데이 주최로 열린 '2023 키플랫폼' 특별세션에서 '데이터 기반 양자기술의 미래'에 대해 기조강연을 하고 있다. /사진=이기범 기자 leekb@

양자기술이란 더이상 나눌 수 없는 에너지 최소단위인 양자 성질을 이용하는 기술이다. 눈에 보이지 않는 극미소(極微小) 세계에선 일상의 거시세계에서 이해하기 어려운 현상이 나타난다. 대표적으로 양자는 중첩·얽힘 등의 특성을 나타낸다.


기존 상용 컴퓨터는 0과 1로 이뤄진 비트(Bit)로 정보를 처리한다. 반면 양자컴퓨터는 정보처리 단위가 큐비트(Qubit)로 중첩·얽힘 특성에 따라 0과 1을 중첩해 나타낼 수 있다. 기존 컴퓨터가 정보를 개별 처리할 때 양자컴퓨터는 모든 경우를 동시에 처리할 수 있다.

이 때문에 기존 RSA(Rivest Shamir Adleman·인터넷 암호화 인증시스템) 암호체계를 풀려면 100만년 이상이 걸리지만 양자컴퓨터가 개발되면 몇 초 내로 풀 수 있다. KISTI에 따르면 양자기술 활용범위는 △바이오·화학(분자 시뮬레이션을 통한 신약 개발) △우주·항공(유체역학적 기체 설계, 비행제어 시스템 최적화) △금융(투자 포트폴리오 최적화) 등 무궁무진하다.

김 원장은 "양자컴퓨터는 기존 상용 컴퓨터보다 30조배 이상 빠른 연산 속도는 물론 통신 과정에서 정보 탈취를 원천 차단한다"며 "현재는 측정 불가능의 영역도 향후 기술 개발을 통해 관측할 수 있다"고 했다.

美中日에 뒤처진 양자기술 경쟁력

양자기술 시장규모. / 사진=한국과학기술정보연구원(KISTI)

김 원장에 따르면 양자기술 세계 시장 규모는 2030년 101조원 규모로 전망된다. 미국은 2018년 '국가양자이니셔티브'를 발표했다. 산학연이 기술을 공동개발하고 국제표준을 주도한다는 내용이다. 중국도 2017년 국립양자과학연구소 설립에 13조원을 투자했고 일본은 2016년 양자기술을 인공지능(AI), 바이오와 함께 3대 국가전략기술로 지정했다.

김 원장은 "양자기술은 중국과 미국의 연구활동이 매우 강하며 한국은 논문수가 점진 증가하고 있지만 상대적으로 미약하다"며 "주요국 논문수 비중은 중국 21%, 미국 16%, 독일 7%, 일본 4%, 한국 2%로 집계된다"고 분석했다.

한국도 양자기술 경쟁력 강화를 위해 과학기술정보통신부가 2021년 양자기술 R&D(연구개발) 전략을 마련했다. 8년간 1조원 규모 양자컴퓨터·통신·센서 기술을 개발하는 프로젝트를 추진 중이다. 관련 계획에는 2026년 50큐비트급, 2030년대 초까지 1000큐비트급 양자컴퓨터 개발 계획이 담겼다. 또 현재 약 150명 수준의 연구 인력을 2030년까지, 1000명까지 확대하는 목표가 포함됐다.

"양자기술 단기간 성과 안 나와…장기 투자, 민관 함께 달려야"

김재수 한국과학기술정보연구원장이 27일 여의도 콘래드 서울에서 머니투데이 주최로 열린 '2023 키플랫폼' 특별세션에서 '데이터 기반 양자기술의 미래'에 대해 기조강연을 하고 있다. /사진=이기범 기자 leekb@

김 원장은 "양자기술은 복합적인 기술이 요구돼 단기간 성과를 낼 수 있는 분야가 아니므로 지속적이고 장기적인 투자가 필요하다"며 "양자기술에서 우리나라의 성과가 미약하고 아직 산업화 초기 단계이나 향후 우주항공, 국방, 의료, 금융, 자동차 분야 등에서 수요가 급속히 늘어날 것"이라고 말했다.

이어 "양자기술 산업이 뒤처진 이유는 시장규모 성장의 불확실성에 따라 민관 투자 부족으로 인력 수급이 한계에 다다랐기 때문"이라며 "국내시장 성장을 견인할 인력양성 선순환 생태계 조성이 필요하다"고 덧붙였다.

또 "양자기술은 이어달리기 아닌 함께달리기 전략이 필요하다"며 "기존 R&D는 대학·연구기관이 기술을 개발하고 기업이 이를 상용화하는 이어달리기 방식이었지만 양자기술은 딥테크(오랜 과학적 연구나 이전에 없던 공학 기술)이므로 시작부터 기업과 함께달리기가 중요하다"고 말했다.

KISTI는 지난해 30여개 기업이 참여하는 '양자컴퓨팅 산업 선도기업 연합'을 출범했다. 이 연합체와 1만2000개 회원사로 구성된 ASTI(과학기술정보협의회)를 통해 양자기술 산업 생태계 조성에 기여한다는 계획이다.

한국이 개발 중인 양자컴퓨터. / 사진=과학기술정보통신부