성큼 다가온 양자 컴퓨터 시대, 아이온큐 산업 주도권 잡을까?

양자 컴퓨터란 무엇인가?


세계는 수년 동안 지구 상의 모든 데이터 센터를 대체할 수 있을 정도로 강력한 컴퓨터를 개발하기 위해 노력해 왔습니다. 무어의 법칙이 둔화하면서 새로운 컴퓨팅 개발은 훨씬 더 시급해진 상황입니다. 특히 데이터가 전부인 세상이 도래하고 있고 4차산업에서도 방대한 데이터를 다뤄야 하기 때문에, 이에 기업들은 양자 컴퓨터를 통해 일반적인 컴퓨터로는 해결할 수 없는 문제를 가장 먼저 해결하고자 합니다. 양자 컴퓨터(QC)는 신소재 개발, 도시 전체의 최적 트래픽 패턴 결정, 암호화 시장 파괴 등 상상도 할 수 없었던 작업을 가능하게 하는 잠재력을 가지고 있습니다. 


일반적인 컴퓨터는 1s와 0s를 사용하여 정보를 이진 형식으로 저장합니다. 예를 들어, 코드 "0100011"의 문자열은 이진 형식의 문자 "G"이고, 코드 "01010011"의 문자열은 문자 "S"를 의미합니다. 0 또는 1은 ‘비트’라고 불리며 컴퓨터는 기본적으로 스위치인 트랜지스터를 사용하여 비트를 처리합니다.


기존의 칩 제조업체들은 컴퓨터 칩당 더 많은 양을 맞추기 위해 트랜지스터를 축소함으로써 컴퓨터 프로세서의 파워를 증가시켰습니다. 처리될 수 있는 비트의 양과 문제 해결에 사용될 수 있는 데이터의 양도 늘었습니다. 그러나 칩 제조업체들은 트랜지스터를 작게 만드는 데 한계에 봉착했습니다. 트랜지스터 축소로 인한 수익률이 줄어들고 있다는 의미입니다.


중첩의 속성은 큐비트가 더 많은 정보를 저장할 수 있게 함

출처: 구글 이미지


양자 컴퓨터는 비트보다 더 많은 정보를 저장하는 큐비트로 데이터를 처리하여 문제를 더 빨리 해결할 수 있음

출처: 구글 이미지



퀀텀 사회로 변화 중인 시대

출처: IONQ


- 양자 컴퓨터의 시대의 도래, 정보 사회를 넘어 퀀텀 사회가 될 것임을 예측하는 아이온큐(IonQ) 


양자 컴퓨터는 큐비트(Quantum Bit)를 기본 단위로 사용해, 기존 비트를 앞지르고 기존 컴퓨터보다 더 복잡한 계산을 해결할 수 있습니다. 전통적인 컴퓨터의 요소는 1 ‘또는’ 0으로 표현되는 반면, 양자 컴퓨팅의 큐비트는 다양한 값을 동시에 계산하기 위해 1’과’ 0이 될 수 있습니다. 큐비트는 중첩이라고 하는 상태에서 1s와 0s로 동시에 존재할 수 있으며, 결과적으로 기존 비트보다 더 많은 정보를 저장하고 처리하는 것이 가능해집니다. 동전 던지기로 비유하자면, 한 경우에서는 앞면 혹은 뒷면이 나오거나(1s or 0s)이지만, 다른 경우 동전을 던지고 굴리면서 앞면과 뒷면을 동시에 관찰하는 것도 가능합니다(큐비트).


이는 양자 컴퓨터가 계산하는 데 수 년이 걸리는 대규모 문제를 빠르게 해결할 수 있다는 것을 의미합니다. 예를 들어, 4비트의 데이터가 있는 경우 0과 1의 16가지 가능한 조합 중 하나만 저장하지만, 큐비트는 0과 1로 동시에 존재할 수 있기 때문에 16가지 가능한 값을 한꺼번에 저장할 수 있습니다.


하나의 양자 비트는 아무것도 할 수 없지만 10개의 양자 비트를 중첩한 경우 이론적으로 =1024의 조합을 동시에 계산하는 것이 가능합니다. 50개의 양자 비트를 중첩한다면 이론적으로 1,125조의 조합을 계산할 수 있습니다. 이러한 병렬 계산이 양자 컴퓨터의 가장 큰 장점이며 양자 컴퓨터가 병렬 세계라고 불리는 이유이기도 합니다.



왜 양자 컴퓨팅을 주목해야 할까?


A 지점에서 B 지점까지 도시를 통과하는 최적의 경로를 찾는 문제를 예로 들어 보면, 기존의 접근 방식은 가장 빠른 경로가 결정될 때까지 A 경로, B 경로, C 경로 등을 이동하는 데 걸리는 시간을 측정합니다. 반대로 양자 접근법은 A, B, C 경로를 동시에 측정하여 최적의 경로를 찾습니다. 오늘날 고전적인 컴퓨터는 사용자가 모르는 사이에 이 작업을 수행할 수 있을 만큼 충분히 발전되었습니다.


현재는 구글이나 티맵, 네이버 지도를 사용할 때 이 작업을 매일 사용할 것입니다. 하지만 도로 위 다른 차량의 위치, 보행자의 이동, 신호등의 색깔 전환 등을 고려해야 하는 자율 자동차로 가득 찬 도시 환경에서 기존 컴퓨터가 해결할 수 있는 문제들은 한계에 봉착하게 됩니다.


슈퍼 컴퓨터와 양자 컴퓨터의 비교

출처: 업계자료 참조. 로아인텔리전스 정리

양자 컴퓨팅 활용 사례


몇 가지 잠재적인 사용 사례를 예로 들면 다음과 같습니다.


1)물류 : 양자 컴퓨터는 가장 효율적인 fleet 경로를 계획하여 물류 회사의 비용을 절감할 수 있습니다. 예를 들어, 한 명의 운전자가 3개 도시에 배달해야 하는 경우 도시 사이를 이동할 수 있는 6가지의 경로 조합이 존재합니다. 운전자가 15개 도시에 택배를 배달해야 한다면 경로 조합은 1조 3천억 개에 달하게 됩니다. 만약 총 인구 10만 명 이상이 거주하는 300개의 도시에 경로 최적화를 할 필요가 있다면 경로를 만들 가능성은 무한대가 됩니다. 


2) 화학/제약 :  양자 컴퓨터의 핵심 활용 사례 중 하나는 분자 시뮬레이션을 개선하는 것입니다. 기존 컴퓨터로도 해결 가능하지만, 분자 모델링은 빠르게 확대되고 있는 문제 중 하나입니다. 만약 20개의 전자를 가진 분자를 모형화한다면, 20개의 전자 상호작용도 모형화해야 합니다. 이를 초당 500번의 계산이 가능한 고전적인 컴퓨터를 사용하면, 분자를 모델링하는 데 약 1억 5400만 년이 소요되는 셈입니다. 


이처럼 양자 컴퓨터는 약품 발견, 날씨 모델링, 재료 개발, 포트폴리오 최적화 등 현재 여러 산업이 당면하고 있는 많은 문제들에 대한 해결책이 될 수 있습니다. 아이온큐는 양자 컴퓨터 잠재 시장이 650억 달러(77조 2,400억 원)에 달할 것으로 전망하고 있습니다.



양자 비트 구현 방식


양자 컴퓨터의 양자 비트를 구현하는 방식은 크게 3가지입니다. 현재 양자컴퓨팅은 아직 초기단계이며, 아이온큐와 같은 기업은 하드웨어 아키텍처 실행 가능성을 입증하는 확장 시스템을 개발하기 위해 노력중입니다. 향후 몇 년동안 매출의 대부분은 주로 공동 개발 파트너십이나 잠재 고객들의 파일럿 사용에서 발생할 것으로 예상됩니다.


이와 관련된 주요 업체들은 순수 양자기업(예: IonQ, Rigetti, PsiQuantum)과 글로벌 빅테크(예: 아마존, 구글, 인텔) 등이 있습니다. 이들이 주로 활용하고 있는 양자비트 실현 방식을 비교해보면 다음과 같습니다.


초전도 방식 : 가장 실용화 되어 있는 방식으로, 금속을 섭씨 -273.15도까지 냉각시켜 전기 저항이 존재하지 않는 초전도 상태에서 양자 비트에 의한 중첩과 얽힘을 만들어 냄

이온 트랩 방식 : 이온을 생성하고 포착(트랩)하여 양자 비트를 만드는 방식으로, 노이즈에 약하고 양자 비트의 증가도 제한적인 초전도 방식의 한계를 개선

토폴로지컬절연체 방식 : 토폴로지컬 절연체가 기존 컴퓨터의 ‘반도체’ 역할을 하게 되며, 초전도 방식처럼 절대 영도까지 온도를 낮출 필요가 없기 때문에 노이즈에 강함


양자비트 실현 방식


출처: 업계 자료 취합. 로아인텔리전스 정리



아이온큐 이온 트랩형 양자 컴퓨터의 핵심은 '상온 기술'



양자 컴퓨터에서 가장 중요한 것은 양자 비트의 구현입니다. 이온 트랩 방식은 이온을 유리 트랩 하는 방법으로 4개의 전극에 각각 고주파 전압을 걸어두면 4개의 전극 중앙에 위치한 이온이 포착되는 방식입니다. 포착된 트랩 이온은 포착 상태에 있어 외부와의 상호 작용이 적고, 제어 가능하다는 장점이 있습니다.


이온이 트랩되면 이를 양자 비트로 취급하고 이온 트랩 방식의 레이저로 양자 비트에 조사하여 계산을 수행하게 됩니다. 즉 아이온큐의 핵심 경쟁력은 상온 기술에 있는데, 전자기장으로 이온을 잡아두는 이온트랩기술을 활용해 경쟁사인 구글이나 IBM과 차별화를 두고 있습니다. 1950년부터 개발 진행된 이 기술을 메릴랜드대 크리스토퍼 먼로 교수와 미국 듀크대 김정상 교수가 2016년 아이온큐를 설립해 양자 컴퓨터에 적용하고 있습니다.


초전도 방식과 이온트랩 방식 비교

출처: 업계 자료 참고


이온 트랩 방식은 각 양자 비트가 서로 연결되는 완전 결합 방식으로, 양자 비트로 작동하는 복잡한 양자 알고리즘도 구현할 수 있습니다. 반면, IBM에서 활용하는 양자 비트 결합 방식은 1개의 양자 비트를 부분적으로 결합하는 스타형 부분 결합 방식입니다. 구글은 인접형 부분 결합 방식을 활용하는데, 이는 양자 비트를 통해 다른 양자 비트까지 경유해야 하기 때문에 오류가 발생할 가능성이 있습니다. 실제로 아이온큐에 따르면 이온 트랩 방식에서 양자 알고리즘을 구현한 결과, 성공률이 초전도 방식보다 220% 더 높다고 합니다.


양자 비트 결합 방식 (순서대로 완전 결합 방식, 스타형 부분 결합 방식, 인접형 부분 결합 방식)

출처: google search


결론적으로 이온 트랩 방식은 완전 결합과 코히런스 시간이 길다는 점에서 양자 게이트 방식보다 우수하지만, 양자 비트 스케일이 앞으로의 해결 과제입니다. 아이온큐에서 스케일을 어떻게 확장할 것인가에 따라 이온 트랩 방식의 혁신이 일어날 것입니다.



경쟁 업체인 IBM의 행보


IBM은 2021년 11월 14일 이글 프로세서를 공개했습니다. 현재 65큐비트 허밍버드에서 2021년 127 큐비트 이글, 2022년 433 큐비트 오스프리, 2024년 1121 큐비트 콘도르 출시 예정으로, 현재 IBM의 부진한 실적을 양자 컴퓨팅을 통해 돌파하겠다는 의지를 밝혔습니다. 또한, 미국, 독일, 일본에 이어 IBM Quantum System two에 관해 연세대학교와 IBM 양자 컴퓨팅 데이터 센터 설립 계획을 발표하기도 했습니다.


IBM의 양자 컴퓨팅 출시 로드맵

출처: IBM


아이온큐는 어떤 회사인가?



IonQ는 서울대 물리학과 교수 출신인 김정상 교수와 메릴랜드대 크리스토퍼 먼로 교수가 공동 설립했으며, 2012년 노벨 물리학상 수상자인 데이브 와인(Dave Wine)이 주요 경영자로 합류했습니다.



아이온큐는 아마존 AWS, 마이크로소프트 애저(Azure) 및 구글의 클라우드와 직접 API 액세스를 통해 사용할 수 있는 양자 시스템을 보유한 유일한 회사일 것입다. 2022년 2월 아이온큐는 최신 세대 아이온큐 아리아(Aria) 시스템이 기록적인 20개의 알고리즘 큐비트를 달성했다고 발표했으며, 이는  아이온큐 뿐만 아니라 전체 양자 컴퓨팅 산업을 위한 엄청난 도약을 의미합니다. 


22년 3월, 마이크로소트는는  아이온큐 아리아를 애저 퀀텀 클라우드(Azure Quantum Cloud)에 도입하여 세계에서 가장 강력한 양자 컴퓨터에 대한 액세스를 자유롭게 하도록 하는 공식 계획을 발표했습니다. 따라서 아이온큐는 3개의 주요 클라우드 제공업체 모두를 통해 양자 컴퓨터를 사용할 수 있게 하는 유일한 회사가 되었습니다.


앞서 언급했듯이 IBM, 구글의 양자 컴퓨터는 전자로 구성되어 있는 반면, 아이온큐의 양자 컴퓨터는 음전자로 구성돼 속도와 안정성이 월등합니다. 쉽게 예를 들어 전자가 믹스커피라면, 음전자는 전 세계 물리학자들이 추출한 에티오피아 커피와 같습니다. 아이온큐의 경영진으로 참여한 데이브 와인은 음전자 부문에서 세계 1등의 마스터라고 볼 수 있는 인물입니다. 이미 경쟁 업체인 구글, MS, 테슬라, 삼성에서 투자금을 유치했으며, 21년 3분기 실적 발표 3일 전 골드만 삭스가 4분기에 1억 2천만 달러 투자를 하기로 했다는 소식도 발표했습니다. 이 투자 자금으로 개발자들을 채용해 하드웨어를 개발 중이고, 22년 3월 소프트웨어 개발 단계로 넘어갔다고 2021년 애널리스트 미팅에서 발표한 바 있습니다.


경쟁사보다 뛰어난 알고리즘 성능을 보이는 IonQ

출처: IonQ


2021년 3분기에 아이온큐는 양자 처리 장치(QPU)를 위한 새로운 칩을 발표했습니다. 이 칩은 안정성을 유지하면서 큐비트 수를 늘릴 수 있도록 설계되었습니다. 아이온큐는 이를 통해 단일 칩을 수백 큐비트로 확장할 수 있을 것으로 보는데, 이는 현재 회사가 보유한 수십 개의 칩보다 더 늘어난 수치입니다. 특히 모듈형 아키텍처는 아이온큐의 핵심 로드맵 요소입니다. 모듈형 아키텍처를 통해 타사대비 더 작고 비용이 덜 드는 장점을 확보하고자 합니다. 아이온큐는 2023년까지 모듈형 시스템을 구축하겠다는 계획을 공개적으로 밝힌 상황입니다. 


1)모듈형 아키텍처, 2) 게이트 속도 증가, 3) 게이트 신뢰도의 세 요소를 구축할 수 있는 지가 아이온큐의 성장 핵심 지표가 될 것이며, 아이온큐 측은 이 세가지 요소의 구현 시점을 2025년이 될 것으로 전망하고 있습니다. 또한 22년부터 아이온큐의 생태계 구축 과정에서 확장성과 효율성을 입증해 전 세계 고객층에 유용한 문제를 해결할 것으로 기대되고 있습니다.


IonQ의 모듈러 아키텍처

출처: IonQ



주요 기업과의 전략적 파트너십



아이온큐의 주요 파트너십을 보면 액센츄어(Accenture), 피델리티(Fidelity), 벌지 브래킷 인베스트먼트 뱅크(Bulge Bracket Investment Bank), 소프트뱅크(Softbank) 등이 있습니다. 2022년 계약은 2,500만달러(전년대비 50% 증가)할 것으로 전망되며, 2024년까지 6,000만 달러(707억 원)를 달성할 것으로 예상되고 있습니다.


그 외에도 액센츄어와 전략적 파트너십을 통해 전 세계 및 모든 산업 분야에서 양자 컴퓨팅 비즈니스 애플리케이션을 가속화하기 위한 공동 상용 프레임워크를 개발했습니다. 전 세계 최대 기업에 양자 우선 솔루션을 공동으로 배포하기 위해 소프트뱅크와 파트너십을 맺기도 했습니다.


2022년 1월에는 전기차 배터리의 충방전 내구성 용량 및 안전성을 향상시킬수 있는 양자 알고리즘을 개발하기 위해 현대자동차와 주요 상업계약을 체결했다고 발표했습니다. 


현대자동차와 상업 계약 체결

출처: IonQ


IonQ의 알고리즘 큐비트 가이던스

출처: IonQ


아이온큐에 투자하는 투자자들이 가장 중요하게 보아야 할 부분은 바로 이 가이던스와 로드맵이라고 할 수 있습니다.


양자 컴퓨터를 상용화하기 위해서는 크게 두 가지 부분이 중요한데, 1) 실제로 유용하게 사용할 수 있는 "알고리즘 큐비트"의 절대적인 수. 2) 양자컴퓨터를 실행하는데 나오는 에러율입니다. 현재 아이온큐는 로드맵을 뛰어넘는 32 큐비트 수준을 달성한 것으로 알려져 있고, 또한 에러율(SPAM)에 있어서는 99.96%라는 높은 신뢰도를 보이고 있습니다.



아이온큐의 실적 및 향후 전망


아이온큐의 2021년 순손실은 -1억 6백만 달러였고 매출액은 2백만 달러를 기록했으며, 1Q22 매출은 195만 달러, 계약 금액은 420만 달러를 기록했습니다. 2Q22에는 매출 230만 달러~250만 달러, 계약 금액은 3백만 달러~5백만 달러가 될 것으로 예상하고 있습니다. 또한 2022년 매출은 2021보다 5배 증가한 약 1,020 ~ 1,070만달러를 예상하고 있습니다.  신규 예약 금액은 2,300만 달러-2,700만 달러로 지난 4Q21 실적 발표시 예상했던 2,000만달러 ~ 2,400만달러 수준을 상회합니다. 


한편, 최근 공매도 업체인 스콜피온캐피탈의 아이온큐 리포트 내용이 보도되며 이슈가 되기도 했습니다. 그 내용은 아이온큐의 양자컴퓨터 기술 자체가 터무니 없으며, 현재 두 과학자가 출근하지 않고 있다라는 내용이었지만, 관련 내용은 모두 2020년 회사가 본격적으로 운영되기 전의 일이라 신빙성은 떨어진다고 판단됩니다. 현재 아이온큐는 양자컴퓨터의 하드웨어에 자유롭게 접속해서 테스트해 볼 수 있도록 오픈 소스를 제공함으로써 기술력에 대한 자부심을 보이고 있습니다. 


결론적으로 현재의 컴퓨터 기술이 할 수 없는 복잡한 계산을 처리할 수 있는 양자 컴퓨팅 산업에서 아이온큐가 상용화를 이뤄내고 흑자전환하는 모습을 보인다면 주도권을 잡을 수 있을 것으로 예상됩니다. 다만, 테슬라의 사례와 마찬가지로 현재의 노력들이 실적으로 구체화되기까지는 다소 시간이 걸릴 것으로 보입니다.


 IonQ의 오픈소스 제공 관련 기사

출처: Businesswire







성큼 다가온 양자 컴퓨터 시대, 아이온큐 산업 주도권 잡을까?

양자 컴퓨터란 무엇인가?


세계는 수년 동안 지구 상의 모든 데이터 센터를 대체할 수 있을 정도로 강력한 컴퓨터를 개발하기 위해 노력해 왔습니다. 무어의 법칙이 둔화하면서 새로운 컴퓨팅 개발은 훨씬 더 시급해진 상황입니다. 특히 데이터가 전부인 세상이 도래하고 있고 4차산업에서도 방대한 데이터를 다뤄야 하기 때문에, 이에 기업들은 양자 컴퓨터를 통해 일반적인 컴퓨터로는 해결할 수 없는 문제를 가장 먼저 해결하고자 합니다. 양자 컴퓨터(QC)는 신소재 개발, 도시 전체의 최적 트래픽 패턴 결정, 암호화 시장 파괴 등 상상도 할 수 없었던 작업을 가능하게 하는 잠재력을 가지고 있습니다. 


일반적인 컴퓨터는 1s와 0s를 사용하여 정보를 이진 형식으로 저장합니다. 예를 들어, 코드 "0100011"의 문자열은 이진 형식의 문자 "G"이고, 코드 "01010011"의 문자열은 문자 "S"를 의미합니다. 0 또는 1은 ‘비트’라고 불리며 컴퓨터는 기본적으로 스위치인 트랜지스터를 사용하여 비트를 처리합니다.


기존의 칩 제조업체들은 컴퓨터 칩당 더 많은 양을 맞추기 위해 트랜지스터를 축소함으로써 컴퓨터 프로세서의 파워를 증가시켰습니다. 처리될 수 있는 비트의 양과 문제 해결에 사용될 수 있는 데이터의 양도 늘었습니다. 그러나 칩 제조업체들은 트랜지스터를 작게 만드는 데 한계에 봉착했습니다. 트랜지스터 축소로 인한 수익률이 줄어들고 있다는 의미입니다.


중첩의 속성은 큐비트가 더 많은 정보를 저장할 수 있게 함

출처: 구글 이미지


양자 컴퓨터는 비트보다 더 많은 정보를 저장하는 큐비트로 데이터를 처리하여 문제를 더 빨리 해결할 수 있음

출처: 구글 이미지



퀀텀 사회로 변화 중인 시대

출처: IONQ


- 양자 컴퓨터의 시대의 도래, 정보 사회를 넘어 퀀텀 사회가 될 것임을 예측하는 아이온큐(IonQ) 


양자 컴퓨터는 큐비트(Quantum Bit)를 기본 단위로 사용해, 기존 비트를 앞지르고 기존 컴퓨터보다 더 복잡한 계산을 해결할 수 있습니다. 전통적인 컴퓨터의 요소는 1 ‘또는’ 0으로 표현되는 반면, 양자 컴퓨팅의 큐비트는 다양한 값을 동시에 계산하기 위해 1’과’ 0이 될 수 있습니다. 큐비트는 중첩이라고 하는 상태에서 1s와 0s로 동시에 존재할 수 있으며, 결과적으로 기존 비트보다 더 많은 정보를 저장하고 처리하는 것이 가능해집니다. 동전 던지기로 비유하자면, 한 경우에서는 앞면 혹은 뒷면이 나오거나(1s or 0s)이지만, 다른 경우 동전을 던지고 굴리면서 앞면과 뒷면을 동시에 관찰하는 것도 가능합니다(큐비트).


이는 양자 컴퓨터가 계산하는 데 수 년이 걸리는 대규모 문제를 빠르게 해결할 수 있다는 것을 의미합니다. 예를 들어, 4비트의 데이터가 있는 경우 0과 1의 16가지 가능한 조합 중 하나만 저장하지만, 큐비트는 0과 1로 동시에 존재할 수 있기 때문에 16가지 가능한 값을 한꺼번에 저장할 수 있습니다.


하나의 양자 비트는 아무것도 할 수 없지만 10개의 양자 비트를 중첩한 경우 이론적으로 =1024의 조합을 동시에 계산하는 것이 가능합니다. 50개의 양자 비트를 중첩한다면 이론적으로 1,125조의 조합을 계산할 수 있습니다. 이러한 병렬 계산이 양자 컴퓨터의 가장 큰 장점이며 양자 컴퓨터가 병렬 세계라고 불리는 이유이기도 합니다.



왜 양자 컴퓨팅을 주목해야 할까?


A 지점에서 B 지점까지 도시를 통과하는 최적의 경로를 찾는 문제를 예로 들어 보면, 기존의 접근 방식은 가장 빠른 경로가 결정될 때까지 A 경로, B 경로, C 경로 등을 이동하는 데 걸리는 시간을 측정합니다. 반대로 양자 접근법은 A, B, C 경로를 동시에 측정하여 최적의 경로를 찾습니다. 오늘날 고전적인 컴퓨터는 사용자가 모르는 사이에 이 작업을 수행할 수 있을 만큼 충분히 발전되었습니다.


현재는 구글이나 티맵, 네이버 지도를 사용할 때 이 작업을 매일 사용할 것입니다. 하지만 도로 위 다른 차량의 위치, 보행자의 이동, 신호등의 색깔 전환 등을 고려해야 하는 자율 자동차로 가득 찬 도시 환경에서 기존 컴퓨터가 해결할 수 있는 문제들은 한계에 봉착하게 됩니다.


슈퍼 컴퓨터와 양자 컴퓨터의 비교

출처: 업계자료 참조. 로아인텔리전스 정리

양자 컴퓨팅 활용 사례


몇 가지 잠재적인 사용 사례를 예로 들면 다음과 같습니다.


1)물류 : 양자 컴퓨터는 가장 효율적인 fleet 경로를 계획하여 물류 회사의 비용을 절감할 수 있습니다. 예를 들어, 한 명의 운전자가 3개 도시에 배달해야 하는 경우 도시 사이를 이동할 수 있는 6가지의 경로 조합이 존재합니다. 운전자가 15개 도시에 택배를 배달해야 한다면 경로 조합은 1조 3천억 개에 달하게 됩니다. 만약 총 인구 10만 명 이상이 거주하는 300개의 도시에 경로 최적화를 할 필요가 있다면 경로를 만들 가능성은 무한대가 됩니다. 


2) 화학/제약 :  양자 컴퓨터의 핵심 활용 사례 중 하나는 분자 시뮬레이션을 개선하는 것입니다. 기존 컴퓨터로도 해결 가능하지만, 분자 모델링은 빠르게 확대되고 있는 문제 중 하나입니다. 만약 20개의 전자를 가진 분자를 모형화한다면, 20개의 전자 상호작용도 모형화해야 합니다. 이를 초당 500번의 계산이 가능한 고전적인 컴퓨터를 사용하면, 분자를 모델링하는 데 약 1억 5400만 년이 소요되는 셈입니다. 


이처럼 양자 컴퓨터는 약품 발견, 날씨 모델링, 재료 개발, 포트폴리오 최적화 등 현재 여러 산업이 당면하고 있는 많은 문제들에 대한 해결책이 될 수 있습니다. 아이온큐는 양자 컴퓨터 잠재 시장이 650억 달러(77조 2,400억 원)에 달할 것으로 전망하고 있습니다.



양자 비트 구현 방식


양자 컴퓨터의 양자 비트를 구현하는 방식은 크게 3가지입니다. 현재 양자컴퓨팅은 아직 초기단계이며, 아이온큐와 같은 기업은 하드웨어 아키텍처 실행 가능성을 입증하는 확장 시스템을 개발하기 위해 노력중입니다. 향후 몇 년동안 매출의 대부분은 주로 공동 개발 파트너십이나 잠재 고객들의 파일럿 사용에서 발생할 것으로 예상됩니다.


이와 관련된 주요 업체들은 순수 양자기업(예: IonQ, Rigetti, PsiQuantum)과 글로벌 빅테크(예: 아마존, 구글, 인텔) 등이 있습니다. 이들이 주로 활용하고 있는 양자비트 실현 방식을 비교해보면 다음과 같습니다.


초전도 방식 : 가장 실용화 되어 있는 방식으로, 금속을 섭씨 -273.15도까지 냉각시켜 전기 저항이 존재하지 않는 초전도 상태에서 양자 비트에 의한 중첩과 얽힘을 만들어 냄

이온 트랩 방식 : 이온을 생성하고 포착(트랩)하여 양자 비트를 만드는 방식으로, 노이즈에 약하고 양자 비트의 증가도 제한적인 초전도 방식의 한계를 개선

토폴로지컬절연체 방식 : 토폴로지컬 절연체가 기존 컴퓨터의 ‘반도체’ 역할을 하게 되며, 초전도 방식처럼 절대 영도까지 온도를 낮출 필요가 없기 때문에 노이즈에 강함


양자비트 실현 방식


출처: 업계 자료 취합. 로아인텔리전스 정리



아이온큐 이온 트랩형 양자 컴퓨터의 핵심은 '상온 기술'



양자 컴퓨터에서 가장 중요한 것은 양자 비트의 구현입니다. 이온 트랩 방식은 이온을 유리 트랩 하는 방법으로 4개의 전극에 각각 고주파 전압을 걸어두면 4개의 전극 중앙에 위치한 이온이 포착되는 방식입니다. 포착된 트랩 이온은 포착 상태에 있어 외부와의 상호 작용이 적고, 제어 가능하다는 장점이 있습니다.


이온이 트랩되면 이를 양자 비트로 취급하고 이온 트랩 방식의 레이저로 양자 비트에 조사하여 계산을 수행하게 됩니다. 즉 아이온큐의 핵심 경쟁력은 상온 기술에 있는데, 전자기장으로 이온을 잡아두는 이온트랩기술을 활용해 경쟁사인 구글이나 IBM과 차별화를 두고 있습니다. 1950년부터 개발 진행된 이 기술을 메릴랜드대 크리스토퍼 먼로 교수와 미국 듀크대 김정상 교수가 2016년 아이온큐를 설립해 양자 컴퓨터에 적용하고 있습니다.


초전도 방식과 이온트랩 방식 비교

출처: 업계 자료 참고


이온 트랩 방식은 각 양자 비트가 서로 연결되는 완전 결합 방식으로, 양자 비트로 작동하는 복잡한 양자 알고리즘도 구현할 수 있습니다. 반면, IBM에서 활용하는 양자 비트 결합 방식은 1개의 양자 비트를 부분적으로 결합하는 스타형 부분 결합 방식입니다. 구글은 인접형 부분 결합 방식을 활용하는데, 이는 양자 비트를 통해 다른 양자 비트까지 경유해야 하기 때문에 오류가 발생할 가능성이 있습니다. 실제로 아이온큐에 따르면 이온 트랩 방식에서 양자 알고리즘을 구현한 결과, 성공률이 초전도 방식보다 220% 더 높다고 합니다.


양자 비트 결합 방식 (순서대로 완전 결합 방식, 스타형 부분 결합 방식, 인접형 부분 결합 방식)

출처: google search


결론적으로 이온 트랩 방식은 완전 결합과 코히런스 시간이 길다는 점에서 양자 게이트 방식보다 우수하지만, 양자 비트 스케일이 앞으로의 해결 과제입니다. 아이온큐에서 스케일을 어떻게 확장할 것인가에 따라 이온 트랩 방식의 혁신이 일어날 것입니다.



경쟁 업체인 IBM의 행보


IBM은 2021년 11월 14일 이글 프로세서를 공개했습니다. 현재 65큐비트 허밍버드에서 2021년 127 큐비트 이글, 2022년 433 큐비트 오스프리, 2024년 1121 큐비트 콘도르 출시 예정으로, 현재 IBM의 부진한 실적을 양자 컴퓨팅을 통해 돌파하겠다는 의지를 밝혔습니다. 또한, 미국, 독일, 일본에 이어 IBM Quantum System two에 관해 연세대학교와 IBM 양자 컴퓨팅 데이터 센터 설립 계획을 발표하기도 했습니다.


IBM의 양자 컴퓨팅 출시 로드맵

출처: IBM


아이온큐는 어떤 회사인가?



IonQ는 서울대 물리학과 교수 출신인 김정상 교수와 메릴랜드대 크리스토퍼 먼로 교수가 공동 설립했으며, 2012년 노벨 물리학상 수상자인 데이브 와인(Dave Wine)이 주요 경영자로 합류했습니다.



아이온큐는 아마존 AWS, 마이크로소프트 애저(Azure) 및 구글의 클라우드와 직접 API 액세스를 통해 사용할 수 있는 양자 시스템을 보유한 유일한 회사일 것입다. 2022년 2월 아이온큐는 최신 세대 아이온큐 아리아(Aria) 시스템이 기록적인 20개의 알고리즘 큐비트를 달성했다고 발표했으며, 이는  아이온큐 뿐만 아니라 전체 양자 컴퓨팅 산업을 위한 엄청난 도약을 의미합니다. 


22년 3월, 마이크로소트는는  아이온큐 아리아를 애저 퀀텀 클라우드(Azure Quantum Cloud)에 도입하여 세계에서 가장 강력한 양자 컴퓨터에 대한 액세스를 자유롭게 하도록 하는 공식 계획을 발표했습니다. 따라서 아이온큐는 3개의 주요 클라우드 제공업체 모두를 통해 양자 컴퓨터를 사용할 수 있게 하는 유일한 회사가 되었습니다.


앞서 언급했듯이 IBM, 구글의 양자 컴퓨터는 전자로 구성되어 있는 반면, 아이온큐의 양자 컴퓨터는 음전자로 구성돼 속도와 안정성이 월등합니다. 쉽게 예를 들어 전자가 믹스커피라면, 음전자는 전 세계 물리학자들이 추출한 에티오피아 커피와 같습니다. 아이온큐의 경영진으로 참여한 데이브 와인은 음전자 부문에서 세계 1등의 마스터라고 볼 수 있는 인물입니다. 이미 경쟁 업체인 구글, MS, 테슬라, 삼성에서 투자금을 유치했으며, 21년 3분기 실적 발표 3일 전 골드만 삭스가 4분기에 1억 2천만 달러 투자를 하기로 했다는 소식도 발표했습니다. 이 투자 자금으로 개발자들을 채용해 하드웨어를 개발 중이고, 22년 3월 소프트웨어 개발 단계로 넘어갔다고 2021년 애널리스트 미팅에서 발표한 바 있습니다.


경쟁사보다 뛰어난 알고리즘 성능을 보이는 IonQ

출처: IonQ


2021년 3분기에 아이온큐는 양자 처리 장치(QPU)를 위한 새로운 칩을 발표했습니다. 이 칩은 안정성을 유지하면서 큐비트 수를 늘릴 수 있도록 설계되었습니다. 아이온큐는 이를 통해 단일 칩을 수백 큐비트로 확장할 수 있을 것으로 보는데, 이는 현재 회사가 보유한 수십 개의 칩보다 더 늘어난 수치입니다. 특히 모듈형 아키텍처는 아이온큐의 핵심 로드맵 요소입니다. 모듈형 아키텍처를 통해 타사대비 더 작고 비용이 덜 드는 장점을 확보하고자 합니다. 아이온큐는 2023년까지 모듈형 시스템을 구축하겠다는 계획을 공개적으로 밝힌 상황입니다. 


1)모듈형 아키텍처, 2) 게이트 속도 증가, 3) 게이트 신뢰도의 세 요소를 구축할 수 있는 지가 아이온큐의 성장 핵심 지표가 될 것이며, 아이온큐 측은 이 세가지 요소의 구현 시점을 2025년이 될 것으로 전망하고 있습니다. 또한 22년부터 아이온큐의 생태계 구축 과정에서 확장성과 효율성을 입증해 전 세계 고객층에 유용한 문제를 해결할 것으로 기대되고 있습니다.


IonQ의 모듈러 아키텍처

출처: IonQ



주요 기업과의 전략적 파트너십



아이온큐의 주요 파트너십을 보면 액센츄어(Accenture), 피델리티(Fidelity), 벌지 브래킷 인베스트먼트 뱅크(Bulge Bracket Investment Bank), 소프트뱅크(Softbank) 등이 있습니다. 2022년 계약은 2,500만달러(전년대비 50% 증가)할 것으로 전망되며, 2024년까지 6,000만 달러(707억 원)를 달성할 것으로 예상되고 있습니다.


그 외에도 액센츄어와 전략적 파트너십을 통해 전 세계 및 모든 산업 분야에서 양자 컴퓨팅 비즈니스 애플리케이션을 가속화하기 위한 공동 상용 프레임워크를 개발했습니다. 전 세계 최대 기업에 양자 우선 솔루션을 공동으로 배포하기 위해 소프트뱅크와 파트너십을 맺기도 했습니다.


2022년 1월에는 전기차 배터리의 충방전 내구성 용량 및 안전성을 향상시킬수 있는 양자 알고리즘을 개발하기 위해 현대자동차와 주요 상업계약을 체결했다고 발표했습니다. 


현대자동차와 상업 계약 체결

출처: IonQ


IonQ의 알고리즘 큐비트 가이던스

출처: IonQ


아이온큐에 투자하는 투자자들이 가장 중요하게 보아야 할 부분은 바로 이 가이던스와 로드맵이라고 할 수 있습니다.


양자 컴퓨터를 상용화하기 위해서는 크게 두 가지 부분이 중요한데, 1) 실제로 유용하게 사용할 수 있는 "알고리즘 큐비트"의 절대적인 수. 2) 양자컴퓨터를 실행하는데 나오는 에러율입니다. 현재 아이온큐는 로드맵을 뛰어넘는 32 큐비트 수준을 달성한 것으로 알려져 있고, 또한 에러율(SPAM)에 있어서는 99.96%라는 높은 신뢰도를 보이고 있습니다.



아이온큐의 실적 및 향후 전망


아이온큐의 2021년 순손실은 -1억 6백만 달러였고 매출액은 2백만 달러를 기록했으며, 1Q22 매출은 195만 달러, 계약 금액은 420만 달러를 기록했습니다. 2Q22에는 매출 230만 달러~250만 달러, 계약 금액은 3백만 달러~5백만 달러가 될 것으로 예상하고 있습니다. 또한 2022년 매출은 2021보다 5배 증가한 약 1,020 ~ 1,070만달러를 예상하고 있습니다.  신규 예약 금액은 2,300만 달러-2,700만 달러로 지난 4Q21 실적 발표시 예상했던 2,000만달러 ~ 2,400만달러 수준을 상회합니다. 


한편, 최근 공매도 업체인 스콜피온캐피탈의 아이온큐 리포트 내용이 보도되며 이슈가 되기도 했습니다. 그 내용은 아이온큐의 양자컴퓨터 기술 자체가 터무니 없으며, 현재 두 과학자가 출근하지 않고 있다라는 내용이었지만, 관련 내용은 모두 2020년 회사가 본격적으로 운영되기 전의 일이라 신빙성은 떨어진다고 판단됩니다. 현재 아이온큐는 양자컴퓨터의 하드웨어에 자유롭게 접속해서 테스트해 볼 수 있도록 오픈 소스를 제공함으로써 기술력에 대한 자부심을 보이고 있습니다. 


결론적으로 현재의 컴퓨터 기술이 할 수 없는 복잡한 계산을 처리할 수 있는 양자 컴퓨팅 산업에서 아이온큐가 상용화를 이뤄내고 흑자전환하는 모습을 보인다면 주도권을 잡을 수 있을 것으로 예상됩니다. 다만, 테슬라의 사례와 마찬가지로 현재의 노력들이 실적으로 구체화되기까지는 다소 시간이 걸릴 것으로 보입니다.


 IonQ의 오픈소스 제공 관련 기사

출처: Businesswire