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미래 양자기술 경쟁을 준비하는 일본

  • 2021-06-08
  • 일본
  • 오사카무역관
  • 안재현

- 일본, 양자기술에 대한 전방위 성장전략 등장 중 -


 


전 세계적으로 양자기술에 대한 관심도가 증가하는 상황 속에서 일본에서도 양자기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 일본은 양자 암호 분야 등 양자기술 분야에 진출하고 있는 다양한 기업들이 존재하고 있다. 향후 미래산업에 중요한 변환점이 될 것으로 예상되는 양자기술에서 일본은 미래를 선도하기 위한 준비를 준비하고 있다.

 

참고

양자 역학

1) 양자 중첩(superposition): 양자는 관측자로부터 관측되기 전에는 자신의 스핀(움직임)의 방향을 임의적으로 보유하고 있어 측정하기 전까지는 양자의 상태를 정확하게 파악할 수 없는 상태를 말함. 측정이 되는 순간 해당 중첩상태는 붕괴하고 하나의 상태로 귀결됨.

2) 양자 얽힘(entanglement): 양자는 상관관계를 가지는 다른 양자가 존재해 하나의 양자가 관측이 된다면 이 양자에 얽혀있는 다른 양자 역시 관측된 것과 마찬가지로 하나의 상태로 귀결이 되는 특징을 말함.

 

양자 컴퓨터

양자 컴퓨터는 양자 얽힘이나 중첩 등 양자 역학의 원리를 활용해 자료를 처리하는 컴퓨터를 지칭함. 양자를 연산 소자로 활용해 슈퍼 컴퓨터의 한계를 뛰어넘는 미래형 첨단 컴퓨터로 기대를 받고 있음. 양자 컴퓨터는 양자 역학의 원리를 바탕으로 큐비트(Qubit)라는 양자적 상태의 조합을 활용하여 연산을 활용함. 

큐비트 연산의 특징

  - 기존 컴퓨터의 연산 단위는 비트(bit)01의 확정 값을 가지고 있어 해당 값의 조합으로 계산을 진행해야 했다.

  - 큐비트의 경우 중첩 상태를 활용하기 때문에 01의 값을 모두 보유한 중첩 상태에서 연산을 진행하기 때문에 병렬적인 연산이 가능. 큐비트의 연산은 2^(큐비트의 수) 만큼의 상태를 동시에 가지기 때문에 연산의 속도가 빠르고 다양한 상황에 대한 분석이 가능 

ㅇ 양자 컴퓨터의 장점: 단순히 병렬 연산에 그치는 것이 아니라 연산의 성격이 불확실성을 내포한 비결정론적이기 때문에 다양한 상태에 대한 결과값을 도출해낼 수 있음. 이는 문제에 대한 여러 가지 답을 동시에 계산해낼 수 있기 때문에 다양한 원인과 요소들을 고려하면서 표준 해법이 존재하지 않는 복잡한 문제들(최적 경로, 암호해독, 시장 분석, 기체 등 복잡계 분석, 자연어 분석) 등 디지털 사회의 당면한 문제들을 풀어낼 것으로 기대 중

ㅇ 양자 컴퓨터의 과제: 양자(빛의 알갱이)라는 불안정한 상태를 활용하기 때문에 큐비트의 장기간 유지와 외부환경에 대한 민감성 등 부정확성에 대한 문제가 존재. 또한 양자의 전송과 관련해서 아직까지는 거리나 안전성 문제가 있음. 또한 비가역적 변환에 대한 문제에서는 기존 컴퓨터의 연산방식이 우수하기 때문에 기존 컴퓨터를 대체하는 방향보다는 보완하는 방향으로 발전할 가능성도 존재함.

 

양자컴퓨터 시장 규모

 

일본 야노 경제 연구소는 2020년 일본의 양자컴퓨터 시장 규모가 62억 엔이라는 조사 결과를 발표했다. 해당 시장 규모는 2025년에는 430억 엔, 2030년에는 2300억 엔으로 향후 10년간 급속한 성장을 보일 것으로 예측하고 있다.

 

일본 시장의 양자 컴퓨터 시장 동향

(단위: 백만 엔)

그림입니다.원본 그림의 이름: 그림1.jpg원본 그림의 크기: 가로 929pixel, 세로 598pixel

자료: 야노경제연구소

 

일본에서는 현재 금융, 화학, EC(전자상거래), 제조(시뮬레이션 분야), 물류 등에서 실증 실험이 활발하게 진행되고 있다. 재료 계산이나 시뮬레이션에 양자 컴퓨터를 활용한 응용 프로그램들이 속속 등장하고 있다. 의료분야에서는 신종 코로나 바이러스 감염 시뮬레이션의 실증 실험도 등장하는 사회 다방면에서 양자 컴퓨터를 활용한 실험이 증가하고 있다.

 

향후 양자 컴퓨터가 변화시키는 산업

분야

주요 내용

의료

 - 신약 개발 분야에서 화학 반응 시뮬레이션 가능

 - 단백질 구조 해석이 가능해 단백질 치료제 개발이 가속화

 - 인간 게놈 해석 속도의 증가로 유전자 맞춤형 치료 제공 가능

금융

 - 데이터와 포트폴리오에 대한 시장 시뮬레이션을 통한 더 나은 예측 모델 제공

 - 기존 컴퓨터보다 더 높은 리스크 관리 능력을 보여주고 있음.

사이버 보안

 - 고성능의 양자컴퓨터로 해독이 어려운 보안문제를 생성 가능

 - 양자 키 배분(QDK) 기술을 통해 암호의 안전한 전달 가능

블록체인·가상화폐

 - 현재의 블록체인은 양자 컴퓨터에 해킹당할 위험도가 높음.

 - 양자 컴퓨터가 미칠 수 있는 위험성을 인지하고 블록체인의 안전성 강화 움직임이 시도 되고 있음.

인공지능

 - 양자컴퓨터의 대규모 데이터 처리 능력 및 시뮬레이션 능력은 AI와 결합해 새로운 학습 능력을 만들 가능성을 내포하고 있음.

 - 컴퓨터 비전(영상처리 능력), 패턴인식, 음성인식, 기계 번역 등에서 더 높은 성능을 제공할 것으로 기대

물류

 - 양자컴퓨터의 강점은 최적화에 있어 기존 컴퓨터가 매우 긴 시간이 걸리는 복잡한 최적화 문제를 단시간 내에 풀어낼 수 있음.

 - 국제 배송 및 공급망의 조정 문제라는 최적화 문제 해결하길 기대

 - 독일 DHL은 양자 컴퓨터를 통한 최적 배달 경로 도출 문제 주목

 - 독일 폴크스바겐, 포르투칼 리스본의 버스 주행 경로 최적화 실증 실험 진행

생산 및 산업디자인

 - 양자 컴퓨터는 방대한 변수를 신속하게 선별하고 가장 효율적인 디자인 결정을 지원할 수 있음.

 - 에어버스, 항공기 날개 디자인 선별 작업에 양자 컴퓨팅 활용 노력

 - 다임러, 삼성전자, 고성능 배터리의 새로운 원료 연구에 활용 노력

 - 양자컴퓨팅은 제조업에서 소재 과학/프로세스 제어/리스크 모델 구축 등에 활용될 수 있음(IBM).

농업

 - 농업 비료에서 암모니아 비중이 높은데 해당 암모니아의 합성과 대체가 어려운 작업으로 진행되지 않음.

 - 양자 컴퓨터를 활용해 화학 시뮬레이션을 통한 합성 가능성

보안

 - 국방 분야에서 스파이 활동을 위한 암호 해독 전장 시뮬레이션, 고성능 군용차량의 소재 개발 등에서 활용될 것으로 예상

자료: 닛케이, CBInsight

 

향후 양자 컴퓨터 시장은 하드웨어의 진화와 개발 환경의 개선뿐만 아니라 하드웨어의 성능을 이끌어내는 애플리케이션 및 이를 원하는 사용자 기업을 확보하는 것이 중요하다. 현재 IT 사업자들은 양자 컴퓨터 활용 기업들과의 소통을 통해 활용 애플리케이션의 개발에 집중하고 있다. 또한 양자 컴퓨터 개발 기업들은 SDKGithub와 같은 프로그래밍 개발 플랫폼에 적극적으로 양자 컴퓨터에 대한 정보를 제공하면서 양자 컴퓨터 소프트웨어 개발 환경을 정비하고 있다.

 

양자기술 육성을 위한 전방위적인 노력

 

일본은 2018년부터 양자기술과 관련한 전문가 회의를 시작해 2019년 내각부가 발표한 일본의 미래 발전 전략인 종합 이노베이션 전략 2019’에 양자기술 추진 내용을 반영했다. 그리고 지속적으로 양자기술 발전과 관련한 민간기업과 학회의 의견을 반영해 20201양자기술 이노베이션 전략을 책정하고 적극적인 양자기술 육성을 위한 적극적인 정책을 책정하였다.

 

양자기술 이노베이션 전략에서 가장 중점적으로 진행한 내용은 중점영역 설정과 주요 거점을 설립하는 것이다. 양자기술 중 중점적으로 발전시킬 분야를 주요 기술 영역으로 설정하고 양자기술을 융합해 새로운 기술로 발전할 가능성이 높은 분야를 양자 융합 이노베이션영역으로 설정해 로드맵을 설정했다. 그리고 기술 지원을 위해 대규모의 연구개발 지원 및 기업 투자를 유치할 계획을 세웠다.

 

양자기술 이노베이션 전략의 주요 기술 영역

주요 기술

주요 내용

게이트형 양자 컴퓨터

(초전도양자비트)

 - 대규모의 복잡한 연산을 고속으로 정확하게 처리 가능하며 저소비 전력이 가능한 범용 디지털 양자 컴퓨터 실현을 목표

 - 10년 후 1000개 정도의 물리적 큐비트를 탑재, 50개 이상의 논리적 큐비트를 보유한 양자 컴퓨터의 개발

 - 대규모 양자 컴퓨터 개발을 위한 설계지원기술, 냉동 저온 기술 등 개발

고체양자센서

(다이아몬드 NV 중심)

 - 소형의 초고감도 센서를 실현해 뇌과학, 생명분야 등에서 이용 가능하며 신재생에너지, 배터리 등의 고밀도 관측 및 제어를 통한 안정성 향상

 - 5년 뒤 10^(-12)T(테슬라), 10년 뒤 10^(-14)T의 실온에서의 미약 자기장의 관측을 달성, 더불어 온도, 전류의 동시 계측기술 등의 확립

 - 센서의 고감도를 위해 고도의 양자 제어기술의 개발과 센서 소재의 고품질화 추진 필요

양자 통신·암호링크

기술

 - 양자 암호장치의 상품화를 시작으로 다양한 보안 소프트웨어의 안전성 강화

 - 5년 후 도시권 내에서의 10Mbps의 양자 암호통신, 10년 후까지 도시 간 양자 암호통신으로 확장 실현

 - 고성능의 단일광자검출기나 양자얽힘(quantum entanglement)광원, 양자 난수* 등 신기술의 개발과 양자 키 분배(QKD)의 새로운 방식 연구 개발

양자 AI 기술

 - 인공 신경망이나 인류 학습 메커니즘을 양자역학적 요소로 해명하거나 실증하는 등 AI의 가능성 최대화될 것

 - 양자 인프라(양자컴퓨터, 양자센서, 양자 통신)를 활용한 양자 AI의 개발

 - 기계학습과 양자 정보처리의 융합을 통해 양자 기계학습의 기초 원리를 구축하거나 머티리얼즈 인포매틱스** 등의 화학, 소재 계산, 양자 시뮬레이션, 양자계의 제어 등 다양한 분야에 양자 AI의 방법론 응용

주*: 양자 난수: 빛의 무작위성을 이용하는 등 양자의 특성을 활용해 예측이나 추적이 불가능한 난수를 생성함. 양자 난수를 활용하면 보안에서 활용되는 비밀번호 생성의 보안성 등이 매우 높아짐.

주**: 머티리얼 인포매틱스(Materials Informatics): 소재 개발에 AI를 도입해 연구하는 방식. 사람이 100종류의 고분자를 혼자 합성해 확인하는데 5~6년이 걸리지만 AI를 활용하면 1분 정도만에 유망한 소재를 발견할 수 있음.(오사카 대학, 사에키 아키노리 교수)

자료: 내각부 


또 다른 주요한 논의로 양자기술 거점 설립과 관련해 국내외의 인적 물적 자본을 투자해 총 8개의 연구 거점을 마련하였다. 2001년부터 양자 컴퓨터 연구센터를 보유해 지속적으로 연구를 진행한 이화학연구소(Rikken innovation)2021226일 총괄 거점으로 지정하고 이화학 연구소를 포함한 8개의 연구기관을 거점기관을 선정했다. 선정된 기업은 도쿄공업대학, 물질재료 연구기관, 양자과학기술 연구 개발기구, 정보통신 연구기구, 오사카대학, 산업기술 종합연구소, 도쿄대학-기업 연합이다. 이화학연구소는 다른 8개의 연구 거점들을 총괄해 양자기술 개발을 협력해 연구 개발을 강화해 나간다는 계획이다.


앙자기술 이노베이션 거점의 주요 활동으로는 국제 워크숍 개최 등 국제연계 추진, 지적재산권의 관리 및 국제 표준화 전략, 기업 기술자와의 공동연구 등 산학관 연계 활동, 인재 육성 과제, 연구시설의 상호 이용 등 연구개발 지원의 추진 등이 있다.

 

 양자기술 이노베이션 거점

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원본 그림의 크기: 가로 699pixel, 세로 548pixel

자료: 이화학연구소 

 

양자기술의 선두 경쟁을 준비하는 일본

 

이러한 노력은 정부 뿐만 아니라 학계와 산업계에서도 적극적으로 동참하는 흐름을 만들고 있다. 20207월 도쿄대를 사무국으로 하는 <양자 이노베이션 이니시티브 협의회>를 발족하고 금융, 화학, 자동차 산업 등 다양한 분야의 기업들이 참가해 양자 컴퓨터의 활용에 대해 논의하기 시작했다. 이 협의회는 민간, 정부, 학계가 모두 참여하는 협의회로 양자 컴퓨터의 활용을 위한 협력을 가속화하기 위해 활용 사례를 공유하고 양자 컴퓨터 활용 가능 엔지니어를 교육하는 등 양자기술을 성장시키기 위한 협의체를 구성하는 시발점이 되었다.

 

그리고 2021531NTT, 히타치, 후지츠, 도요타 등 다양한 분야의 11개 대기업들이 참여하는 양자기술을 활용한 신산업 창출 협의회설립에 대한 발기인 대회를 개최했다. 이번 대회에 관해 NTT의 시노하라 히로미치 회장은 양자기술은 일본 산업 발전을 촉진할 잠재력을 가지고 있다. 산관학의 지혜를 모아야 할 때라고 언급하며 이번 모임의 의의를 설명했다.

 

양자기술의 개발에는 고도의 제조기술이 필요한데 일본은 양자통신, 암호 하드웨어와 관련해서 세계적인 수준을 자랑한다. 정보 분석 회사 Valuenex의 조사에 따르면 해당 분야에서 도시바가 104, NEC88건으로 세계적인 수준을 자랑한다. 도시바의 경우는 양자암호에 필요한 열쇠를 원거리로 송부하는 기술에서 속도와 거리에서 세계 최고의 수준을 자랑한다.

 

양자 컴퓨터와 양자 암호통신 하드웨어의 특허건수 비교

(단위: 건)

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원본 그림의 크기: 가로 1305pixel, 세로 472pixel

자료: 닛케이, Valuenex

 

일본 기업들은 기술적인 우수성을 보유하고 있는 양자 통신·암호 기술을 다양한 분야에 적용하고자 노력하고 있다. 업계의 선두를 달리고 있는 도시바는 노무라 홀딩스와 협력하여 주식거래의 데이터 전송에 암호 통신기술을 활용해 빠른 거래 처리 및 대용량의 통신에 대응할 수 있는지를 점검하고 있다. 특히 사이버 공격의 위협이 높아지며 금융업계에서 고객정보의 보호 등이 중요한 문제로 대두하고 있어 향후 양자 암호 통신에 대한 수요는 전 세계적으로 매우 높아질 것으로 예상된다. 도시바는 양자 암호시장 규모가 2018년에는 1400억 엔 규모였으나 2035년에는 약 21000억 엔 규모로 성장할 것으로 예상하고 있다.

 

도시바의 양자암호 통신 송수신기

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원본 그림의 크기: 가로 638pixel, 세로 399pixel

자료: 도시바

 

미··일 격화되는 양자기술 패권 다툼

 

일본의 이러한 노력은 양자기술에서의 패권에서 뒤쳐질 수 없다는 의지가 엿보이는 부분이다. 일본 NEC1999년 세계 최초로 양자 컴퓨터의 기본 소자를 입증하는 등 양자기술 연구에서 존재감을 부각해오고 있었으나 현재 <양자 혁명>이라고 불리는 변혁기에서는 세계적인 흐름에 따라가지 못한다는 지적도 나오고 있다. 기술의 실용화 문제에 있어서는 중국에 현재 뒤처지는 상황이다.

 

중국은 국가 주도로 기술을 육성하고 있으며 베이징과 상하이를 연결하는 거대한 네트워크를 구축, 20211월에는 인공위성과의 4600㎞의 양자통신을 성공했다고 발표하는 등 실용화에서 한 발 앞서가는 모습을 보이고 있다. 양자기술과 관련한 특허 수를 살펴보더라도 중국은 3074, 미국 1557건으로 두 국가 모두 일본의 750건을 한참 앞서가는 모습을 보여주고 있다.

 

양자기술 관련 전 세계 특허 건수

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자료: 닛케이, Valuenex

 

전 세계 양자기술 공개 특허의 조감도를 살펴보더라도 중국의 발전이 눈에 띈다. 일본의 경우 양자통신 암호의 하드웨어에서는 존재감을 보이고 있으나 소프트웨어에서는 존재감을 발휘하지 못하고 있다. 중국의 경우 베이징-상하이를 연결하는 통신망을 구축하며 쌓은 장비개발과 운용의 노하우를 살려 시장 기술을 선도해 나가는 상황이다.

 

양자기술 공개 특허 조감도

 

그림입니다.원본 그림의 이름: CLP000008f424e6.bmp원본 그림의 크기: 가로 876pixel, 세로 492pixel

자료: Valuenex

 

양자기술의 패권 다툼은 점점 격화될 것으로 보인다. 미국의 경우 양자 컴퓨터의 하드웨어에서 기술적인 우위를 차지하고 있다. 이에 기술에 대한 투자도 증가하고 있다. 2018년 미국 정부는 양자 컴퓨터 연구에 2억 달러 예산을 투자하기로 했고 바이든 정권에서는 더욱 적극적으로 투자할 것으로 예상된다. 닛케이 신문에 따르면 일본 정부 관계자는 바이든 정권과 조기에 협력하고 싶다고 전해 미국과 일본 간 기술 협력을 통한 연구 개발 가능성도 존재한다.

 

시사점

 

차세대 기술이라고 평가받는 양자기술에 대해 선진국들은 기술 전쟁에 돌입하고 있다. 일본 역시도 미래시대를 이끌어가기 위해 경쟁을 위한 준비를 서두르고 있다. 특히 일본의 경우 휴대전화, 평면 디스플레이 등 뛰어난 선도기술을 보유하고 있었음에도 경쟁에서 패배한 사례가 많다. 한때 90년대 압도적인 기술력을 자랑하던 일본의 반도체 산업은 현재 한국과 대만에 점령당한 상황이다. 이러한 기술 경쟁에서 패배한 경험을 반성하고 양자기술에서는 두 번 다시 실패를 경험하지 않고자 최선의 노력을 다하고 있다.

 

다만 압도적인 자금력으로 양자 컴퓨터 기술을 선도하고 있는 미국이나 사업화에 적극적인 중국을 대상으로 하는 경쟁이 쉽지는 않다. 일본은 자신들이 가지고 있는 기술을 활용해 전략적으로 기술을 육성하고 산업을 성장시켜 나가야 하는 문제가 있다. 이 과정 속에서 어떻게 일본의 양자기술들이 발전해 나갈지 그 귀추를 주목해야 할 것이다.

 

또한 우리 기업들의 경우 향후 변화하는 양자기술의 트렌드를 민감하게 관찰하고 빠르게 해당 기술을 도입할 수 있는 여건을 조성해야 할 것이다. 또한 해당 기술의 발전과 함께 새롭게 창출되는 공급망의 기회를 유심히 지켜보면서 새로운 사업 기회를 모색하는 것이 바람직할 것이다.

 


자료: 내각부, 경제산업성, 야노경제연구소, 닛케이 등 KOTRA 오사카 무역관 자료 종합