美中 경쟁 후끈 달아오른 양자 산업

기세등등 ‘고래싸움’…양자컴 개발 어디까지

인공지능(AI) 다음 패권 기술로 양자컴퓨터가 급부상하고 있다. 도널드 트럼프 미국 대통령이 최근 대대적인 양자컴퓨터 산업 지원책을 내놓으며 전 세계 이목이 쏠린다. 중국이 양자컴퓨터 산업에서 한발 앞서가자 관련 기술 상용화를 서두르겠다는 조치인데, 향후 미·중 양자컴퓨터 산업 패권 경쟁이 한층 치열해질 것이란 관측이 나온다.

도널드 트럼프 미국 대통령이 지난 6월 22일(현지 시간) 백악관 집무실에서 양자컴퓨팅 관련 행정명령에 서명한 뒤 이를 들어 보이고 있다. (AP=연합뉴스)

美, 양자컴퓨터 체계 구축 속도

“2028년 실용화·2031년 보안 완료”

트럼프 대통령은 지난 6월 22일(현지 시간), 미국 워싱턴DC 백악관에서 양자컴퓨터 관련 행정명령 2건에 서명했다. 서명식에는 아르빈드 크리슈나 IBM 최고경영자(CEO), 루스 포랫 알파벳(구글 모회사) 사장 겸 최고투자책임자(CIO) 등 양자컴퓨팅 산업 리더들도 함께 참석해 눈길을 끌었다.

첫 번째 행정명령에서 트럼프 대통령은 기업, 학계와 공조해 양자과학 연구를 진행할 수 있도록 2028년까지 연방기관에 양자컴퓨터를 배치하라고 지시했다. 상무부와 국방부에는 향후 5년 내 양자역학을 활용해 글로벌 위치 추적 시스템(GPS)을 대체할 양자 센서를 배치하라고 명령했다. 양자 센서는 GPS 교란이 기승을 부리는 전쟁터에서 무기를 운영하는 데 활용할 수 있다. GPS 대신 양자 기술을 이용해 적의 신호 교란 위협 없이 우주탐사, 전투 능력을 극대화하겠다는 의미다.

두 번째 행정명령에는 2031년까지 표준 암호체계를 무력화할 수 있는 양자 체계를 구축하라는 지시를 담았다. 양자컴퓨팅을 다루는 해커들 때문에 국가 기반 시설이 마비되지 않도록 정부와 민간 부문 전반의 보안 체계를 강화하는 것이 골자다. 트럼프 대통령이 제시한 시점은 전임 조 바이든 행정부 목표보다 4년 앞당겨졌다.

트럼프 행정부의 이번 조치는 중국과의 양자컴퓨팅 경쟁에서 자국 기업에 힘을 실어주기 위한 전략이란 평가다. 미국 상무부는 최근 IBM 등 9개 양자컴퓨팅 기업에 20억1300만달러(약 3조1000억원)를 지원한다고 밝혔다. 미국 정부는 양자컴퓨팅 기업 지분까지 인수할 정도로 양자 기술을 국가 전략자산으로 키워왔다. 양자컴퓨팅 기업인 글로벌파운드리스, 디웨이브퀀텀, 리게티컴퓨팅은 정부 지원 대가로 지분 일부를 정부에 넘긴다. 글로벌파운드리스는 3억7500만달러를 지원받고 정부는 약 1% 지분을 확보한다. 디웨이브퀀텀, 리게티컴퓨팅도 각각 정부와 1억달러 규모 계약을 체결했다.

양자컴 앞서가는 중국

세계 최초 ‘듀얼 코어’ 양자컴퓨터 공개

트럼프 행정부가 양자컴퓨터 사업에 전력을 쏟는 데는 이유가 있다. 양자컴퓨터는 특정 분야에서 슈퍼컴퓨터보다 훨씬 빠른 속도로 복잡한 계산 문제를 해결할 수 있다. AI, 신소재 개발, 신약 연구, 국방·안보 등에서 혁신을 이끌 핵심 기술로 평가받으며, 세계 각국은 기술 표준, 생태계를 선점하려 막대한 자금을 쏟아붓는 중이다.

특히 중국이 양자 기술에서 미국 패권을 위협해왔다. 중국은 이미 10여년 전부터 최정상급 기술을 키워 ‘양자굴기’에 나섰다. 중국 정부는 올 3월 발표한 제15차 5개년 계획에서 양자 기술을 7대 미래 산업 중 하나로 지정하며 국가 핵심 과제로 격상시켰다.

중국과학원은 지난 5월 세계 최초로 중성원자를 활용해 에너지 소비를 줄이는 기술인 ‘듀얼 코어’ 양자컴퓨터 ‘한위안 2호’를 공개했다. 전하가 없는 중성원자를 레이저로 포획해 큐비트로 쓰고, 원자 간 상호작용을 이용해 양자 연산을 수행하는 방식이다. 천문학적 냉각 비용이 드는 기존 초전도 방식에 비해 비용, 효율 면에서 뛰어나다는 평가다.

전 세계 양자컴퓨터 경쟁은 초전도체, 이온트랩, 중성원자 등 세 가지 방식으로 추진 중이다.

구글과 IBM이 초전도체, 아이온큐가 이온트랩 방식에 뛰어들며 미국은 초전도체, 이온트랩 방식을 주도해왔다. 초전도체는 전기저항이 없고 외부 자기장에 반자성을 띠는 물질이다. 이온트랩은 전기장과 레이저를 이용해 이온을 트랩(덫)에 가두고 각 이온의 양자 상태를 조작해 큐비트를 구현한 다음 연산을 한다. 이 가운데 중국이 중성원자 방식의 독자 개발에 성공해 미·중 간 기술 경쟁이 본격화할 것으로 보인다.

중국 저장대는 앞서 3월 ‘양자 랜덤 액세스 메모리(QRAM)’ 구조를 세계 최초로 구현한 논문을 발표하기도 했다. QRAM은 양자컴퓨터가 기존 데이터에 효율적으로 접근하도록 하는 핵심 부품이다. 다수의 양자 알고리즘이 ‘양자 속도’를 내기 위한 전제 조건이기도 하다.

다만 QRAM은 양자메모리와는 다른 개념이다. 양자메모리는 큐비트 자체를 저장하는 기능이지만, QRAM은 일반 컴퓨터에 있는 0과 1 형태의 데이터를 양자컴퓨터가 양자 방식(중첩 상태)으로 읽어오기 위해 한꺼번에 불러오는 기술이다. 이번 기술이 상용화되면 신약 개발 분야에서 수억 건에 달하는 화학 데이터베이스에서 분자의 위상 특성을 빠르게 추출해 신약 개발 주기를 크게 단축할 수 있다는 평가다.

중국 정부는 양자키분배(QKD) 기술을 활용해 9650㎞ 이상을 연결하는 국가 양자 통신망 구축에도 성공했다. 양자키분배 기술은 양자 상태를 이용해 통신 당사자 간 비밀키를 안전하게 공유하는 기술로, 도청 시 양자 상태가 교란돼 도청 흔적을 감지할 수 있다.

중국이 양자컴퓨터 기술에서 앞서가는 데는 이유가 있다. 정부가 과감한 양자 기술 투자에 나선 덕분이다. 미국 정보혁신재단(ITIF)에 따르면, 중국의 양자 기술 투자 규모는 150억달러(약 22조455억원)로 미국(38억달러, 약 5조5800억원)의 4배에 달한다. 기술 특허 경쟁에서도 한발 앞섰다. 2000년부터 2024년까지 중국의 양자컴퓨팅 분야 특허는 2만9105건으로 미국(2만202건)보다 약 9000건 우위를 보인다.

이를 두고 본 미국은 정부 역량을 총동원해 중국 양자 굴기를 견제하려는 포석이다. 단순히 양자컴퓨터 기술 발전을 앞당기는 것을 넘어 양자 암호 보안을 강화하는 의미가 크다. 가공할 연산 능력을 가진 양자컴퓨터가 상용화되면 미국 정부, 기업 보안망이 순식간에 무력화될 우려가 크기 때문이다. 로이터통신은 “이번 행정명령은 트럼프 행정부가 중국과의 양자 경쟁에서 리더십 확보에 얼마나 큰 의미를 두는지 보여준다”며 “과학과 사이버 안보를 뒤흔들 기술 분야에 힘을 실어주는 조치”라고 분석했다.

양자컴퓨터는 어떤 개념

수백년 걸릴 연산, 단 몇 초 만에 해결

G2 국가인 미국, 중국이 주도권을 잡으려 안간힘을 쓰는 양자컴퓨터는 어떤 기술을 담았을까.

양자컴퓨터는 정보 저장 단위로 0 또는 1만 표현하는 비트(bit) 기반 기존 컴퓨터와 달리, 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있는 큐비트를 사용한다. 이를 통해 대규모 연산을 동시에 처리하며 슈퍼컴퓨터로는 수백년이 걸릴 복잡한 연산을 단 몇 초 만에 해결한다. 전력 소비 측면에서도 양자컴퓨팅이 슈퍼컴퓨터의 약 1000분의 1 수준으로 훨씬 낮다.

양자컴퓨터는 탁월한 혁신 기술이지만 한동안 상용화는 쉽지 않다는 평가가 많았다. AI 기술 활성화로 분위기가 달라졌다. 생성형 AI 챗GPT 등장 이후 전 세계는 GPU, 데이터센터에 막대한 자금을 쏟아부었지만, 정작 차세대 배터리 소재나 신약 후보물질의 분자 구조, 군사형 시뮬레이션 등 변수 조합이 급증하는 문제는 AI로 해결할 수 없었다. 양자컴퓨터는 이 영역에서 기존 컴퓨터 벽을 넘어설 차세대 계산 인프라로 손꼽힌다.

가장 기대가 큰 분야는 신약 개발, 소재 설계다. 신약 후보 물질이나 배터리 소재는 원자와 분자가 어떻게 움직이고 결합하느냐에 따라 성능이 확연히 달라진다. 기존 컴퓨터는 이를 단순화해 계산해야 했지만, 양자컴퓨터는 이런 미세한 움직임을 더욱 정밀하게 계산할 수 있다. 신약 후보물질과 단백질 상호작용을 더 정확히 예측하는가 하면, 고성능 배터리 전해질과 양극재 조합을 찾는 데 활용될 것이란 기대가 크다.

보안 산업에서도 양자컴퓨터 쓰임새가 커질 전망이다. 금융 거래와 국가 기밀 통신, 군 통신망은 모두 암호 기술을 기반으로 움직인다. 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터로는 풀기 어려운 암호 문제를 더 빠르게 계산할 수 있어, 미래 보안체계를 송두리째 뒤흔들 기술로 손꼽힌다. 주요국 정부가 양자컴퓨터 개발과 함께 양자 시대에도 뚫리지 않는 새 암호 기술 확보에 나서는 이유다.

글로벌 컨설팅 업체 맥킨지는 양자컴퓨팅이 2035년까지 최대 1조3000억달러(약 1998조원) 규모의 경제적 가치를 창출할 것으로 전망했다. AI가 반도체와 데이터센터 산업을 키운 것처럼 양자컴퓨팅도 칩 제조, 제어 전자장비, 소프트웨어, 클라우드, 보안으로 이어지는 새로운 생태계를 형성할 수 있다는 분석이다.

양자컴퓨터 산업이 급성장하며 향후 5~7년 내 양자컴퓨터가 상용화될 것이란 전망도 나온다. 피터 드산티스 아마존 부사장은 최근 CNBC와의 인터뷰에서 “향후 5~7년 안에 최초의 상업적으로 유용한 소규모 양자컴퓨터를 보게 될 것”이라며 “이후에는 무어의 법칙과 유사한 속도로 성능과 규모가 발전할 것”이라고 예상했다. 무어의 법칙은 컴퓨터 칩에 집적되는 트랜지스터 수가 약 2년마다 두 배로 증가해 시간이 지날수록 반도체 성능이 향상된다는 이론이다. 마이크로소프트(MS)는 오는 2029년 상업적으로 활용 가능한 양자컴퓨터 출시를 목표로 했다.

물론 양자컴퓨팅 상용화를 위한 과제도 적잖다. 가장 큰 걸림돌은 오류율이다. 큐비트는 외부 전동과 온도 변화, 전자기 잡음에 민감해 계산 도중 상태가 금방 흐트러진다. 양자컴퓨터가 실험실을 넘어 산업 현장에서 쓰이려면 계산 과정에서 생기는 오류를 그때그때 바로잡아야 한다.

최근엔 AI가 이런 한계를 낮추는 기술로 주목받는다. 양자컴퓨터 상태를 AI가 실시간으로 분석하고, 큐비트가 흔들리지 않도록 장비를 자동 조정하는 방식이다. 과거에는 전문가가 장비 옆에서 이를 직접 보정해야 했지만, 이 작업을 AI가 대신하며 운영 난이도가 낮아졌다는 평가다.

엔비디아가 지난 4월 공개한 양자컴퓨팅용 AI 모델 ‘이징(Ising)’이 대표적이다. 이징은 양자처리장치(QPU)가 내놓은 데이터를 AI가 분석해 큐비트의 불안정성을 보정하고, 오류 데이터를 AI가 다시 수정한다. 아마존은 지난해 오류 정정 문제 해결을 목표로 한 양자칩 ‘오셀롯(Ocelot)’을 공개하기도 했다.

영하 273℃ 극저온 상태로 냉각하는 구글 양자컴퓨터의 냉각 시스템. (구글 제공)

양자컴퓨터 기업 주가 날개

아이온큐·IBM 성장성 눈길

양자컴퓨터 시장이 커지며 관련 기업 주가 향방에도 관심이 쏠린다.

3대 양자컴주로 꼽히는 아이온큐, 리게티컴퓨팅, 디웨이브퀀텀 주가는 꾸준히 상승세를 이어가는 중이다. 아이온큐 주가는 지난 3월 31일 28.83달러에서 6월 29일 53.88달러로 석 달 만에 80% 넘게 뛰었다.

증권가에선 양자컴주에서 텐베거(주가가 10배 상승하는 종목)가 나온다면 아이온큐가 1순위라는 관측이 나온다. 소형화가 가능한 이온트랩 방식을 채택했고, 개발환경을 구축 중인 점을 고려하면 향후 아이온큐가 양자컴퓨터 보급에 주도적인 역할을 할 것으로 기대되기 때문이다.

IBM도 추천 종목으로 손꼽힌다. 미국 정부의 양자컴퓨터 산업 지원 방안에는 IBM에 10억달러를 지원하는 내용이 포함됐는데, IBM은 자체 자금 10억달러를 추가 투입해 미국 내 양자칩 파운드리를 구축할 계획이다. 또 향후 5년간 100억달러 이상을 투입해 2029년 대규모 오류 보정 양자컴퓨터를 내놓겠다고 밝혔다. 박승진 하나증권 애널리스트는 “IBM이 양자컴퓨팅 생태계 중심에서 핵심 역할을 수행할 수 있다”며 목표주가로 320달러를 제시했다.

기업공개(IPO) 시장도 후끈 달아올랐다. 미국 양자컴퓨팅 기업 퀀티넘은 최근 IPO를 통해 16억8000만달러를 조달했다. 퀀티넘은 2021년 허니웰의 양자컴퓨팅 하드웨어 사업과 영국 케임브리지퀀텀의 소프트웨어 사업이 합쳐져 설립했다. 퀀티넘은 화학, 머신러닝, 사이버보안, 금융, 신약 개발 등 다양한 분야에서 양자컴퓨팅 플랫폼을 개발 중이다.

국내에서는 드림시큐리티, 큐에스아이, 알엔티엑스, 아이씨티케이 등 양자 보안주가 상승세를 이어가는 중이다. 드림시큐리티 주가는 지난 3월 31일 1578원에서 6월 29일 2235원으로 석 달 만에 30% 넘게 올랐다. 드림시큐리티는 양자암호통신 분야 공공·금융 시장을 공략하는 정보보안 기업이다. 양자키분배(QKD) 기술과 연동되는 양자키 관리장비 등 첨단 암호 기술을 연구개발하는 양자암호 관련주로 꼽힌다.

아이씨티케이는 최근 산업통상자원부가 주관하는 70억원 규모 양자 통합 보안칩 개발 프로젝트의 주관기관으로 선정됐다. 국제표준 물리적복제불가(PUF) 기술인 ‘VIA PUF’ 기술을 인정받아 글로벌 빅테크에 보안칩을 공급하는 점도 돋보인다. 이 기술은 반도체 제조 공정에서 발생하는 미세 물리 특성을 활용해 복제가 어려운 고유 보안 정보를 생성하는 방식이다.

한국 정부 지원도 국내 양자컴퓨터 업체에 호재다. 과학기술정보통신부는 올 초 내놓은 ‘양자과학기술 및 양자 산업 육성 종합계획’을 통해 2035년까지 양자 인력 1만명, 양자 활용 기업 2000개를 육성하기로 했다. 10년 내 세계 1위 퀀텀칩(양자칩) 제조, 양자컴퓨터 활용률 세계 1위, 국제 표준 채택 세계 3위 등을 주요 목표로 제시했다. 지역 특화 산업과 융합하는 양자전환 거점을 마련하기 위해 컴퓨팅, 통신, 센서, 소부장(소재·부품·장비), 알고리즘 등 ‘5대 분야 양자클러스터’를 지정하기로 한 점도 눈길을 끈다. 과기정통부는 미국 양자 기업 아이온큐와 업무협약도 체결했다. 아이온큐는 국내에 공동연구센터를 설립하고, 향후 3년간 연 500만달러(약 71억원)를 투자하기로 했다.

다만 양자컴주가 계속해서 상승세를 이어갈지는 미지수다. 주요 양자컴퓨터 기업이 적자를 내며 고평가 논란이 끊이지 않기 때문이다. 블룸버그통신에 따르면, 아이온큐(-5억200만달러)·리게티컴퓨팅(-8100만달러)·디웨이브퀀텀(-7900만달러)은 올해 대규모 영업손실이 예상된다. 적자에 시달리는데도 주식 시장에서 10배 이상의 주가순자산비율(PBR)을 적용받으며 기업가치가 지나치게 높게 형성됐다는 의견이 나온다.

국내에도 적자에 시달리는 양자컴퓨터 기업이 수두룩하다. 아이씨티케이는 2023년 24억원 적자를 낸 데 이어 2024년 67억원, 지난해 89억원 적자를 기록해 손실 규모가 갈수록 불어나는 중이다. 양자컴퓨팅 상용화까지 적잖은 시간이 필요하다는 우려 때문이다. 조경진 IBK투자증권 애널리스트는 “아직까지 양자컴퓨팅 산업은 복수의 기술 방식을 연구개발하는 단계”라며 “향후 산업의 핵심은 어느 방식이 먼저 실용성과 확장성, 오류보정 가능성을 입증하느냐에 달렸는데, 당분간 여러 기술이 병행 발전하는 흐름이 이어질 가능성이 높다”고 진단했다.

이 때문에 개별 종목보다는 상장지수펀드(ETF) 투자가 유리하다는 조언이 나온다. 글로벌 양자컴퓨팅 산업에 투자하는 KoAct 글로벌양자컴퓨팅액티브 ETF의 최근 3개월 수익률은 60%, SOL 미국양자컴퓨팅TOP10 수익률은 50%에 달한다.

[김경민 기자 kim.kyungmin@mk.co.kr]

[본 기사는 매경이코노미 제2367호(2026.07.08~07.14일자) 기사입니다]

[Copyright (c) 매경AX. All rights reserved. 무단 전재, 재배포 및 AI학습 이용 금지]