미국, 유럽, 중국을 비롯한 주요 국가에서는 국가의 안보와 산업 경쟁력을 양자기술이 좌우한다는 공통된 인식 하에 대규모 정부투자가 이루어지고 있다. 하지만 우리나라는 개별 연구가 대학, 연구기관, 기업 등에서 산발적으로 실시되고 있어, 세계의 새로운 조류를 만드는 주도적 지위를 구축할 수 없는 상황이다. 따라서 국제경쟁력 강화와 사회·경제적 과제 해결, 새로운 학술분야의 탄생을 통해 미래의 성장·발전을 이끄는 양자기술의 연구개발을 전략적으로 추진하는 것이 필요하다.

이에 한국과학기술정보연구원(이하 KISTI)은 국가 및 경제 안보, 신산업 창출을 위한 국가필수전략기술로 주목받는 양자기술에 관한 주요 이슈와 이에 대한 대응방안 등을 제시한 『KISTI 이슈브리프』 ‘미래 산업의 게임 체인저, 양자정보과학기술(QIST): 양자 2.0의 시대’를 최근 발간했다.

이 브리프에서는 양자결맞음, 양자중첩, 양자얽힘 등의 양자 특유의 성질에 대해, 지금까지 어려웠던 제어와 활용이 가능하게 되는 것을 양자정보과학기술(QIST) 혹은 양자 2.0으로 정의하고, 양자기술 산업의 현황을 진단하고 시사점을 도출하고자 환경 및 시장 분석, 연구개발 투자 및 성과 분석을 진행했다.

양자기술 산업은 현재 산업화 초기 단계이다. 관련 산업을 양자컴퓨팅, 양자통신, 양자센싱으로 구분하면, 현재의 시장규모는 양자컴퓨팅이 가장 크지만 성장률에서는 양자통신이 가장 높게 나타났다. 한편 양자기술은 높은 기술적 난이도로 인해 인력 교육 및 유입이 쉽지 않은 분야이다. 이에 지속적인 투자, 인력 양성 및 산학연 생태계 조성이 매우 중요한 분야임을 강조했다. 브리프는 양자기술 산업에 대한 생태계 조성을 바탕으로 국가경제 안보 보장, 산업경쟁력 강화를 추진할 것을 제안했다. 

 

 

□ 브리프의 주요 내용은 다음과 같다.

ㅇ 빅데이터의 폭발적 증가로 인한 컴퓨팅 연산 속도 향상의 필요성, 미중 간의 신냉전으로 인한 안보 위협 증대로 양자정보과학기술이 크게 주목받고 있다.

ㅇ 양자기술 또는 양자정보과학기술(QIST: quantum information science & technology)은 ‘양자역학적 특성을 정보통신기술에 적용하기 위해 양자상태를 생성(쓰고), 제어(전송, 저장, 처리), 측정(읽고) 및 분석하는 기술’로, 일반적으로 양자컴퓨팅, 양자통신, 양자센싱으로 구분된다.

ㅇ 특히, 양자결맞음, 양자중첩, 양자얽힘 등의 양자 특유의 성질에 대해, 지금까지 어려웠던 제어와 활용이 가능하게 된 「양자 2.0」 시대의 도래로 산업적 응용분야가 확장되면서 새로운 가치 창출의 가능성이 급속히 커지고 있다.

ㅇ 코로나19, 기후변화 등 다양한 난제 영역에서 양자기술이 해결사 역할을 하며 산업 발전을 견인할 것으로 주목받으면서 양자 2.0에 거는 기대는 더욱 높아지고 있다.

ㅇ 전 세계적인 기술패권 경쟁이 심화되는 상황에서 우리나라도 양자기술을 기술주권 확보가 필요한 국가필수전략기술로 인식하고 있다.

▶ 양자기술 산업은 각국 정부의 경쟁적인 지원책, 글로벌 기업들의 경쟁이 극심하지만, 현재는 절대 강자로 불릴만한 시장 참여자가 없는 산업화 초기 단계이므로 우리나라가 추격할 기회가 있을 것으로 판단된다.

ㅇ 양자기술은 미래 산업 경쟁력의 핵심기술(game changer)로 산업·경제 전반에 혁신을 가져올 것으로 기대되면서 시장 확대 가능성이 높아지고 있지만, 연구 범위의 한계, 인력 교육 훈련, 기술 지식이전, 소재 개발, 예산지원 분야에서 문제가 발생할 가능성이 있다.

ㅇ 주요국 정부는 지속적·연속적 정책 지원을 통해 양자기술의 원천기술 선점에 집중하고 있는데, 그 기술의 난이도가 매우 높고 다양한 분야의 융합 및 대규모 투자가 필요하다. 양자기술은 기술적 난이도가 매우 높아서 진입장벽이 높고 공급자의 협상력이 구매자의 협상력보다 높은 특성이 있다.

▶ 우리나라는 2014년 12월 ‘양자정보통신 중장기 추진전략’, 2019년 1월 ‘양자컴퓨팅 기술개발사업 추진계획’, 2021년 4월 ‘양자기술 연구개발 투자전략’을 수립함으로써 선도국에 비해 늦기는 했지만 양자기술의 선도국 추격 및 주도권 확보 경쟁에 합류했다.

ㅇ 우리나라의 정부R&D투자는 지속적으로 증가하여 2022년 기준 1,314억 원으로 추정되지만, 양자기술 분야의 전문인력 부족으로 과감한 투자를 하기에는 한계가 있다.

ㅇ 2016~2021년 동안 SCOPUS 논문은 총 34,349건으로, 연평균 8.1%씩 증가했다. 
- 국가별 건수는 중국 7,030건, 미국 5,230건이고 우리나라는 705건으로 12위로 나타남
- 평균 피인용수는 영국 26.7, 미국 24.5이고, 우리나라와 중국은 10.6, 11.2로 나타남
- 미국 대비 우리나라의 논문수는 13% 수준(한국 705건, 미국 5,230건)이고, 평균 피인용수는 43% 수준(한국 10.6, 미국 24.5)으로 나타남
- 기관별로는 중국과학기술대학과 MIT가 논문수가 많고, 국내기관은 KIST, 고려대, 서울대, KAIST, ETRI, UST, 고등과학원, 표준연, 포스텍, 부산대가 두드러짐
- 논문수의 연평균증가율은 양자컴퓨팅 5.8%, 양자통신 11.7%, 양자센싱 8.7%로 나타남
- 분야별 논문수를 미국과 비교하면 양자컴퓨팅은 13%(한국 411건, 미국 3,264건), 양자통신 17%(한국 270건, 미국 1,613건), 양자센싱 10%(한국 48건, 미국 498건)로 나타남

ㅇ 2014~2021년 동안 미국 공개특허는 총 823건으로, 연평균 28.3%씩 증가했다.
- 국가별 건수는 미국 478건, 중국 76건, 일본 75건, 한국 45건, 영국 14건, 독일 7건임
- 평균 피인용수는 미국 1.9, 일본 0.9이고 한국과 중국은 0.4로 나타남
- 미국 대비 우리나라의 미국 특허수는 9% 수준(한국 45건, 미국 478건)이고, 평균 피인용수는 21% 수준(한국 0.4, 미국 1.9)으로 나타남
- 세계적으로는 MIT, 도시바, 마이크로소프트가 많고, 국내의 경우 ETRI, KIST, SK텔레콤, 삼성전자, KAIST가 두드러짐
- 특허수의 연평균증가율은 양자컴퓨팅 64.0%, 양자통신 17.6%, 양자센싱 22.4%로 나타남
- 우리나라의 경우 양자통신 분야가 양자컴퓨팅이나 양자센싱보다 상대적으로 성과가 많은 것으로 확인됨

ㅇ 논문 피인용수 기준 글로벌 상위 50% 이내인 우리나라의 핵심 연구자 수는 분야 간 중복을 허용하여 컴퓨팅 93명, 통신 142명, 센싱 34명으로 나타났다.
- 국내의 핵심 연구자 수를 미국과 비교시 컴퓨팅 4.3%수준, 통신 10.4%수준, 센싱 4.2%수준이고 통신 분야의 핵심 연구자 수가 상대적으로 많은 것으로 나타났다.

▶ 시사점 및 제언

ㅇ 양자기술의 대부분은 아직 실용화 수준에 도달하지 않았지만, 가까운 장래에 보급이 시작되었을 때 그것을 다루기 위한 ‘양자기술의 문해력(literacy)’이 중요하다.

ㅇ 양자기술은 복합적인 기술이 요구되어 단기간에 성과를 낼 수 있는 분야가 아니므로 지속적이고 장기적인 투자가 필요하다.

ㅇ IBM, 구글 등 글로벌 기업들이 개발하는 양자컴퓨터는 초전도, 이온트랩, 중성원자, 양자점 반도체 등의 서로 다른 플랫폼을 기반으로 제작되고 있어서 플랫폼 간 경쟁구도를 이루고 있다.

ㅇ 양자통신은 미래에 범용 양자컴퓨터가 개발되면 기존의 보안수단인 RSA 암호체계가 무력화 된다는 인식하에 통신 및 보안 분야에서 선도적으로 연구 개발된 분야이다.

ㅇ 양자센서는 관성, 중력, 자기장 등의 물리량을 측정하는 기존의 전통적인 센서와 경쟁하는 구도를 보이면서 기존 센서들이 측정하기 힘든 영역에서 고정밀 센싱을 양자센서가 수행하는 것으로 인식된다.

ㅇ 대학원 및 산업체 인력에 대한 다양한 인력양성 프로그램 개발이 선행되어야 하고 산학연간 협업 생태계 조성이 필요하다.

ㅇ 양자기술 빅데이터를 분석하여 유망기술 및 R&D 과제 도출 등을 통해 산업 경쟁력 확보 방안을 마련해야 한다.

□ KISTI 김재수 원장은 “KISTI는 양자정보과학기술 연구를 위해 금년 6월에 양자정보응용연구팀을 신설했고 향후에도 관련 분야에 대한 기술적·정책적 지원을 위해 노력하겠다.”고 밝혔으며, 이방래 박사 등 저자 일동은 “국내 양자기술 산업의 성장을 위해서는 정부의 꾸준한 지원, 민간의 선제적인 투자와 함께 인력 양성 및 인력 수요처 창출 노력을 포함한 산․학․연 협업 생태계 조성이 매우 중요하다.”고 강조했다.