[서울=뉴스핌] 황숙혜 기자 = 양자 컴퓨팅 기술 개발에 뛰어든 스타트업들이 최근 수 년간 흥미로운 결과물을 쏟아냈다.

이미 신약 개발을 포함해 주요 산업에 관련 하드웨어와 소프트웨어를 제공, 매출을 올리는 한편 가파른 주가 상승을 연출한 업체도 등장했다.

양자 컴퓨터 시대가 이미 도래했다고 선포하며 관련 시장의 최전선에서 활약하는 업체 가운데 월가는 특히 아이온큐(IONQ)와 리게티 컴퓨팅(RGTI), D-웨이브 퀀텀(QBTS) 등 세 개 종목을 주목한다.

다양한 비즈니스 영역 가운데 양자 컴퓨팅을 미래 성장 포석으로 두고 투자와 개발에 나선 빅테크와 달리 기업은 순수 양자 컴퓨팅 업체라는 점에서 차별화 된다. 이들 모두 양자 기술의 상용화에 목표를 두고 있지만 서로 상이한 기술로 접근한다.

◆ 아이온큐 = 미국 듀크대학의 교수들이 2015년 설립한 아이온큐는 양자 하드웨어와 소프트웨어, 플랫폼 개발에 주력한다.

업체의 기술 핵심은 이온 트랩(Trapped Ion) 방식이다. 이를 이용해 양자컴퓨터 하드웨어를 직접 개발, 제조한다.

이온 트랩 방식이란 진공 상태에서 레이저로 작은 원자들을 떠 있게 하는 기술을 말한다. 이온을 전기장에 포획해 뛰어난 안전성을 가진 큐비트를 만들고, 극저온이 아닌 실온에 가까운 온도에서 작동하도록 하는 원리다.

이온 트랩은 극저온이라는 조건을 필요로 하지 않는다는 점에서 차별성을 가질 뿐 아니라 오류율이 낮다는 점에서도 업계의 관심을 끈다.

대다수의 양자 하드웨어 개발 업체들은 큐비트를 만들기 위해 이른바 '합성된(synthetic) 양자 시스템을 사용한다.

아이온큐 이온 트랩 칩 [사진=업체 제공]

가령, 초저온의 초전도 와이어 고리(supercooled superconducting wire)와 실리콘 결정 내의 의도적인 결함 혹은 인공적으로 양자적 거동을 하도록 정밀하게 설계된 구조물 등이 여기에 해당한다.

아이온큐는 처음부터 전혀 다른 방식으로 접근했다. 합성된 것이 아니라 자연에 존재하는 양자 시스템, 즉 개별 원자들을 사용한 것.

업체는 이들 원자가 양자 처리 장치(quantum processing unit, QPU),의 핵심이라고 설명한다. 원자들을 3차원 공간 안에 가두고 레이저를 이용해 초기 준비 단계부터 마지막까지 모든 과정을 이행한다는 설명이다.

이온 트랩 기술에는 직관에 반하는 물리학, 정밀 광학, 기계 공학, 그 밖에 다양한 구성 요소들을 미세하게 제어하는 펌웨어가 필요하지만 결과는 탁월하다고 아이온큐는 주장한다.

업체의 경영진은 이온 트랩 양자 코어가 지금까지 개발중인 하드웨어 가운데 가장 유망한 양자 컴퓨팅 플랫폼이라고 자신한다.

모든 양자 컴퓨터의 가장 중요한 구성 요소는 큐비트인데 아이온큐의 큐비트는 전하를 띤 이터븀(ytterbium) 원자다. 이터븀은 은빛의 희토류 금속으로, 이터븀 원자 하나는 우주 어디에 있든 모두 동일하다.

특정 형태의 안정된 양자 상태가 된 이후 이터븀은 매우 오랜 시간 동안 그 상태를 유지하는 특성을 갖는다.

일관성이 놀라울 정도로 높기 때문에 가장 정확한 원자 시계(atomic trap)라고 불리는 특수 칩을 이용해 이를 3차원 공간 안에서 정밀하게 고정시킨다.

아이온큐가 개발한 이온 트랩은 약 100개의 미세 전극으로 구성돼 있고, 각각 정밀하게 설계하는 한편 리소그래피 공정으로 제작하며, 전자기력을 제어해 이온을 제자리에 고정시킨다. 이를 통해 외부 환경으로부터 고립시켜 주변 소음과 탈동조(decoherence)를 최소화 한다고 업체는 설명한다.

문제는 단 하나의 이온으로는 유용한 양자 프로세서를 만들 수 없다는 점이다. 아이온큐는 원하는 수만큼 이온을 선형 배열(linear chain) 형태로 배치할 수 있고, 이 같은 유연한 재구성을 토대로 업체는 새로운 칩을 제작하거나 하드웨어를 교체하지 않고도 이론적으로 1 큐비트 시스템에서 100 큐비트 이상의 시스템까지 확장할 수 있다.

현재까지 아이온큐는 79개의 이온으로 단일 큐비트 게이트(single-qubit gate)를 구동했고, 35개 이상의 이온 체인을 활용해 복잡한 알고리즘 실행도 성공했다고 밝혔다.

이 같은 확장성과 함께 앞서 언급한 대로 극저온 냉각이 불필요하기 때문에 상온에서 작동한다는 점이 아이온큐의 이온 트랩이 갖는 강점으로 꼽힌다.

업체의 주장대로 게이트 오류율이 낮고, 광섬유를 통한 원거리 양자 통신이 가능하다는 점도 월가와 IT 업계의 시선을 끄는 대목이다.

단점도 없지 않다. 업계 전문가들은 레이저 조작이 초전도 방식보다 느리기 때문에 이온 트랩으로 작동하는 양자 컴퓨터의 속도가 상대적으로 느릴 수밖에 없다고 지적한다.

이온 트랩이 극저온 냉각 대신 진공 상태를 요구하는데 진공 상태를 유지하는 데 어려움이 따르고, 대규모로 시설을 확장할 때 진공 시스템이 복잡해 진다는 점도 해결 과제로 꼽힌다.

아이온큐의 규모가 여전히 제한적이지만 주요 외신에 따르면 지난 12개월 사이 5000만달러를 웃도는 매출액을 창출했다.

매출의 대부분은 업체가 수주한 계약과 함께 다른 기업들과의 파트너십에서 발생한다. 업체는 제약 응용 분야에서 양자 프로세서를 엔비디아(NVDA)의 GPU(그래픽 처리장치) 및 마이크로소프트(MSFT)의 애저(Asure) 클라우드와 결합해 양자 가속 신약 개발에서 20배 향상된 속도를 달성했는데 이 같은 공동 프로젝트를 통해 매출액을 창출하는 형태다.

때문에 일부 시장 전문가들은 아이온큐의 매출액이 '실제'이긴 하지만 아직 매출 발생 초기 단계의 바이오테크처럼 사실상 프리레버뉴(pre-revenue) 기업으로 봐야 한다고 주장한다.

경영진들이 2030년까지 연 매출액 10억달러 달성과 흑자 전환을 목표로 제시한 가운데 강세론자들은 본격적인 수익 창출이 멀지 않았다고 주장한다.

2035년까지 약 870억달러 규모의 시장 기회가 열릴 것이라는 전망이다. 아이온큐가 전체 시장을 장악하기는 어렵지만 경쟁력 있는 기술을 기반으로 의미 있는 시장 점유율을 주가 상승을 뒷받침 할 만한 실적을 올릴 수 있을 것이라는 관측이다.

투자은행(IB) 업계는 절대 영도 근처까지 냉각시켜 제어를 용이하게 만드는 일반적인 방식과 달리 아이온큐가 채택한 이온 트랩이 커다란 잠재력을 지닌 것으로 평가한다.

극저온 냉각을 기반으로 한 양자 기술의 경우 비용 부담이 상당히 크고, 때문에 대중적으로 확산되는 데 현실적인 제약이 따르기 때문에 이온 트랩이 출발부터 유리한 입지를 확보할 수 있다는 설명이다.

지난 2021년 이른바 스팩(SPAC, 기업인수목적회사)과 합병을 통해 뉴욕증시에 입성한 업체는 10월17일(현지시각) 62.94달러에 거래를 종료, 연초 이후 46% 상승을 기록했다. 최근 1년 사이 업체의 주가는 네 배 이상 폭등했다.

2025년 2분기 매출액이 2069만달러로 전년 동기 대비 82% 가량 급증했지만 1억7684만달러 적자를 냈다는 점에서 최근 주가 급등이 지나치다는 지적도 나온다.

◆ 리게티 컴퓨팅 = 나스닥 시장에 상장된 리게티 컴퓨팅(RGTI)은 2013년 IBM(IBM)에서 양자 컴퓨팅 기술 개발에 참여했던 물리학자 차드 리게티가 설립했다.

리게티의 노베라 [사진=업체 제공]

2016년 3개의 큐비트로 구성된 첫 퀀텀 프로세서를 개발한 업체는 2017년 8개 큐비트의 양자 컴퓨터 테스트를 성공적으로 실시했고, 같은 해 포레스트(Forest) 1.0 퀀텀 컴퓨팅 플랫폼을 공개했다. 개발자들이 양자 알고리즘을 만들어낼 수 있도록 하기 위해 설계된 플랫폼은 리게티 컴퓨팅이 창사 이후 세운 가장 커다란 이정표로 평가 받았다.

업체의 큐비트는 초전도 방식의 알루미늄 기반 조셉슨 접합을 재료로 하고, 절대 영도 근처의 극저온 냉각 상태에서 작동한다. 구글의 윌로우 칩과 같은 원리인 셈이다.

리게티 주가 추이 [자료=블룸버그]

리게티 컴퓨팅은 지난 2023년 12월 노베라 QPU(Novera QPU)를 첫 상용화 했다. 업체의 4세대 안카(Ankaa)-클래스 아키텍처를 기반으로 한 9 큐비트의 양자 처리 장치(QPU)를 출시한 것.

조정 가능한 커플러(tunable coupler)와 정사각 격자(square lattice) 구조를 채택한 노베라 QPU는 보다 높은 연결 밀도와 빠른 연산 속도를 구현한다고 업체는 밝혔다.

발표 당시 데이비드 리바스 최고기술책임자(CTO)는 "노베라 QPU 출시에 따라 양자 컴퓨팅 전문가와 학생들이 수 년간 축적된 리게티의 연구개발(R&D) 성과물을 직접 활용할 수 있게 됐다"며 "지난 10년간 풀스택 양자 컴퓨팅 개발에 매진했고, 이번 제품은 우리가 사용하는 동일한 수준의 하드웨어와 엔지니어링을 생태계 전반에 제공한다"고 설명했다.

노베라 QPU는 범용 게이트 기반의 양자 컴퓨팅(universal gate-based quantum computing)을 구현하며, 혼합형 양자 알고리즘(hybrid quantum algorithms)과 특성화 및 보정, 오류 완화, 양자 오류 정정(QEC) 실험 등에 활용된다.

아울러 양자 컴퓨팅 스택의 일부 구성 요소를 자체 개발하려는 기관들의 경우 노베라 QPU를 활용해 제어 전자 장치 및 소프트웨어 개발과 오류 정정 알고리즘, 제어 최적화 알고리즘, 네이티브 게이트 아키텍처 및 특정 보정 시스템 개발 등 다양한 영역에서 성과를 낼 수 있다.

업체는 노베라 QPU가 상용 희석 냉각기 및 제어 시스템과 호환되도록 설계됐고, 때문에 고객들의 실험 환경에 쉽게 통합된다고 설명한다. 노베라 QPU는 최저 가격 90만달러부터 판매되며, 주문 확정 후 4~6주 이내에 배송이 이뤄진다.

리게티는 지난 2017년부터 클라우드 기반의 양자 컴퓨터를 운영해왔고, 공공 및 민간 클라우드와 통합된 리게티 퀀텀 클라우드 서비스(RQCS) 플랫폼을 통해 글로벌 기업들 및 정부 기관, 연구소에 서비스를 제공하고 있다.

주요 외신에 따르면 업체는 양자 컴퓨팅 기술 개발에 뛰어든 기업들 가운데 최초로 멀티칩(Multi-chip) 양자 프로세서를 개발했고, 모든 칩은 자체적으로 설계, 제작한다.

업체는 2025년 2분기 180만달러의 매출액을 올렸다. 이는 전년 동기에 비해 약 42% 줄어든 수치다. 같은 기간 업체는 3965만달러 적자를 기록했다.

리게티 컴퓨팅은 최근 몇 달 사이 굵직한 수주를 확보하며 강세론자들의 장밋빛 전망에 설득력을 제공했다. 주요 외신에 따르면 업체는 에어 포스 리서치 랩과 580만달러 규모의 첨단 양자 네트워킹 계약을 체결했다.

앞서 9월 말 업체는 총 570만달러 규모로 두 건의 계약을 체결했다고 발표해 월가의 시선을 끌었다. 구체적으로 거래 상대방을 밝히지 않은 채 아시아 지역의 제조 업체와 캘리포니아에 소재한 AI 스타트업이 계약 당사자라고 전했다.

거래 규모가 제한적이지만 양자 컴퓨팅 시스템에 대한 수요가 늘어나는 상황을 보여주는 단면이라는 점에서 월가는 고무적이라는 반응이다.

리게티 컴퓨팅의 주가는 아이온큐보다 더 폭발적인 상승을 연출했다. 10월17일 업체의 종가는 46.38달러로, 연초 이후 132% 뛰었고, 최근 1년 사이 상승률은 무려 3523%에 달했다.

강세론자들 조차 업체의 주가가 고평가됐다는 데 한 목소리를 낸다. 주가매출액비율(PSR)이 약 780배에 달하기 때문.

미국 온라인 투자 매체 식킹알파는 리게티 컴퓨팅이 흥미로운 업체라는 데 이견의 여지가 없지만 명백한 고평가 종목이라고 평가했다.

양자 컴퓨팅 기술의 상용화가 아직 실험적인 단계에 머물고 있는 데다 범용화까지 갈 길이 멀다는 사실을 감안할 때 최근 1년간 주가 폭등은 경계할 부분이라는 의견이다.

◆ D-웨이브 퀀텀 = 1999년 설립된 D-웨이브 퀀텀(QBIT)은 양자 효과를 내는 컴퓨터를 세계 최초로 상용화했다고 주장한다.

D-웨이브 양자 시스템 [사진=업체 제공]

지난 2011년 D-웨이브 원(D-Wave One)을 공개하면서 업체는 128큐비트로 작동하는 세계 최초의 상업용 퀀텀 컴퓨터라고 소개했다.

업체는 대표적인 미국 방산업체 록히드 마틴과 구글 및 NASA(미 항공우주국) 등 다수의 고객을 확보한 상태다.

하지만 업체의 양자 기술은 처음부터 범용화를 목표로 개발된 것이 아니라 특정 산업 분야에 최적화된 형태를 취한다. 때문에 구글을 포함한 빅테크나 아이온큐, 리게티 등 경쟁사들과 직접적인 비교가 어렵다는 지적이 나온다.

업체의 양자 컴퓨팅 기술은 초전도체 기반으로 극저온 상태에서 작동, 대다수의 업체들과 흡사하지만 게이트 기반의 범용 양자 컴퓨터와 달리 어닐링 기반으로 개발됐다.

양자 컴퓨팅에서 어닐링(Annealing)이란 복잡한 최적화 문제를 양자 역학의 원리를 활용해 빠르고 효율적으로 해결하는 특정 양자 알고리즘 방식을 의미한다. 물류 경로의 최적화나 금융 포트폴리오 구성, 신약 개발 등에 주로 적용되는데, 틈새 시장을 겨냥한 기술이기 때문에 범용성에 한계가 따르고 외부 환경의 변화에 민감해 에러율을 줄이는 일이 가장 큰 과제로 꼽힌다.

보도에 따르면 D-웨이브 퀀텀은 택배 업체 UPS와 독일 자동차 메이저 폭스바겐 등 글로벌 기업들의 물류 최적화에 접목되고 있다.

업체의 고객 기업은 액센추어와 마스터카드, 딜로이트 등 100개를 웃돌고 업체의 기술이 적용되는 분야는 AI를 포함해 30여개에 이른다.

상용화 측면에서는 업체가 앞서 나가는 셈이지만 적용 범위가 물류와 스케줄링 등에 국한돼 있어 보다 광범위하게 암호학과 시뮬레이션, 머신 러닝 목적으로 설계된 범용 게이트에 비해 확장성 측면에서는 불리하다는 지적이다.

일부 시장 전문가는 엄격한 의미에서 어닐링이 범용 양자 솔루션이 아니기 때문에 D-웨이브 퀀텀이 고전적인 알고리즘과 경쟁에 직면해 있다고 말한다.

상반되는 의견도 나왔다. 미국 IT 분야 학술지 사이언스(Science)는 D-웨이브 퀀텀의 양자 컴퓨터가 GPU 클러스터 기반의 슈퍼 컴퓨터로 100만년 가량 걸리는 문제를 불과 며 분 이내에 풀어냈다고 전했다.

업체는 미국에서 260건 이상의 특허를 확보했고, 추가로 550여건의 특허를 주요국에서 받았거나 출원한 상태다.

D-웨이브 퀀텀은 2분기 310만달러의 매출액을 달성해 전년 동기에 대비 약 42%의 외형 성장을 나타냈다. 같은 기간 1억6733만달러의 적자를 기록했다.

뉴욕증시에서 거래되는 업체의 주가는 10월17일 38.33달러에 거래를 종료해 연초 이후 약 300% 폭등했고, 1년 사이 3068% 치솟았다.

양자 컴퓨팅 기술의 중장기 성장 전망은 낙관적이다. 컨설팅 업체 맥킨지가 2040년까지 전세계 시장 규모가 1980억달러에 이르는 시나리오를 제시했고, 보스톤 컨설팅 그룹은 1700억달러 전망을 내놓았다.

양자 컴퓨팅 기술이 특히 AI와 로보틱스, 기후, 암호화폐 등 네 개 분야에 커다란 영향을 미치며 장기적으로 8500억달러에 달하는 경제 가치를 창출할 것이라는 기대다.

하지만 불과 1년 사이 3000%를 웃도는 주가 폭등에 설득력을 찾기는 어렵다는 데 투자은행(IB) 업계는 한 목소리를 낸다. 성장 가능성을 낙관하더라도 거품 논란 속에 추가 상승을 겨냥한 베팅은 적절하지 않다는 지적이다.

shhwang@newspim.com