양자기술 국제표준 개발 한국에서 최초 시작

지난 5월 28일, 서울 더 플라자 호텔에서 양자기술 공동기술위원회 창립총회가 개최됐다. 국제전기기술위원회(IEC)와 국제표준화기구(ISC)는 미래 첨단산업의 핵심인 양자 기술의 중요성을 인식하고, 표준화를 통해 양자 컴퓨팅, 양자통신, 양자센싱 등 관련 분야의 산업화를 촉진하기 위해 지난해 12월 위원회를 공동으로 설립했다.

한국은 양자기술 표준백서 발간 등 JTC3 설립에 기여한 공로를 인정받아 지난 2월 초대 의장을 맡게 됐다. 한국의 양자 기술 개발과 표준화 역량을 세계에서 인정받은 것이다. 창립총회에서는 IBM, 마이크로소프트, LG전자, 화훼이 등 글로벌 기업들과 영국 물리학연구소(NPL), 미국 표준기술연구소(NIST) 등 주요기관, 일본 경산성(METI), 중국 공업정보화부(MIIT) 등 정부기관이 참여했다. 전문가들은 양자컴퓨팅, 양자센싱 등 양자기술 표준개발 조직 구성 과 용어, 기술 분야 등에 대한 표준안을 논의한다. 총회의 둘째 날에는 국제심포지엄이 개최되어 영국, 미국, 프랑스, 한국 등 주요 국가의 양자기술개발 현황과 표준전략이 국내외 참석자들과 공유될 예정이다.

오광해 표준정책국장은 “한국에서 양자기술 국제표준 개발 위원회를 공식 출범한 것은 우리나라의 양자기술 개발과 표준화 역량에 대한 높아진 위상을 보여준다.”며 미국, 영국 등 양자기술 주요 선도국과의 국제협력 강화와 양자센싱, 통신 부문에서 국제 표준화 주도에 적극 힘쓰겠다고 했다. 이번 JTC3 창립총회를 통해 대한민국은 양자기술의 국제표준화에서 중심적인 역할을 수행하며, 미래 산업의 주도권을 확보하는 데 중요한 발판을 마련할 예정이다.

국산 20-큐비트급 양자 컴퓨터 첫 공개

26일 서울 동대문디지털플라자에서 열린 퀀텀 코리아 2023에서 한국표준과학연구원 부스에 초전도 기반 50큐비트 양자컴퓨터 모델이 전시돼 있다.(사진=뉴시스)

지난 26일, ‘퀀텀 코리아 2023’에서 한국표준과학연구원이 개발한 20-큐비트 양자 컴퓨터가 처음으로 시연됐다. 이 20-큐비트 양자 컴퓨터는 2의 20승을 한 번에 계산할 수 있어, 일반 컴퓨터가 약 100만 번 순차적으로 처리해야 하는 계산량을 한 번에 처리할 수 있다. 정부는 이번 20-큐비트 양자 컴퓨터 시연을 시작으로 2026년까지 490억 원을 투자해 50-큐비트 양자 컴퓨터를 개발·구축할 계획이다. 50-큐비트는 양자 컴퓨터가 전자식 슈퍼컴퓨터의 성능을 능가할 수 있는 기준점으로 여겨진다. 장기적으로는 2030년대 초까지 1000-큐비트급 초전도 기반 범용 양자컴퓨터 개발 및 클라우드 서비스 개시를 목표로 하고 있다.

놀라운 발전이지만 여전히 갈 길이 멀다. 양자 기술 최선도국인 미국은 이미 1000-큐비트급 초전도 기반 범용 양자컴퓨터를 개발했다. IBM은 2022년 12월 세계 최초의 1121-큐비트급 양자 컴퓨터 ‘콘도르’를 선보였으며, 2025년까지 4000-큐비트급 양자 컴퓨터 개발을 목표로 하고 있다. 구글은 2019년 53-큐비트 양자 컴퓨터 ‘시커모어’를 출시하고, 2029년까지 양자 오류를 최소화한 양자 컴퓨터를 개발할 예정이다. 미국은 최근 몇 년간 약 28억 달러를 투자하고, 2019년 ‘국가 양자 이니셔티브 법’을 제정했다. 중국도 72-큐비트 양자칩을 기반으로 하는 ‘번위안우쿵’을 출시하고 2025년까지 153억 달러를 투자할 계획이다. 일본과 유럽연합도 양자 기술에 수천억 원에서 조 단위의 투자를 진행 중이며, 2022년 2월 기준 전 세계 양자산업 투자 규모는 약 360억 달러에 달한다. 한국 정부는 2035년까지 양자 경제 전환을 목표로 민-관 공동으로 3조 원 이상을 투자할 계획이지만, 양자 기술 주요국의 기술 수준에 도달하기에는 턱없이 부족하다. 양자 기술 핵심 인력도 미국은 3,000여 명, 중국은 5,000여 명인데 비해 한국 인력은 380여 명으로 부족한 실정이다. 

양자 컴퓨팅의 도전과 새로운 보안표준 양자내성암호로 대응

한국의 양자 기술 연구 및 개발 수준은 아직 초기 단계에 있지만, 의미 있는 성과를 이루어 내고 있다. 국가수리과학연구소 심경아 책임에 따르면, 전자서명은 공개키 기반 구조(PKI)를 바탕으로 정보처리 시스템이나 정보통신망 환경에서 인증, 무결성, 부인 방지 등의 정보보호 서비스를 제공하는 암호 기술이다. 이번 표준은 양자 컴퓨터 시대를 대비해 다변수 이차식 기반 양자내성 전자서명(MQ-Sign)의 생성과 검증 절차를 정의하며, 도메인 변수와 사용자 서명키, 검증키 생성 방법을 포함하고 있다. 특히, 이 표준은 현재 사용되고 있는 공개키 기반 구조의 운용사항을 다루지 않고, 양자 컴퓨터로 인한 기존 암호체계의 무력화를 방지하기 위해 개발됐다.

양자 컴퓨터 개발이 가속화되면서 기존 컴퓨팅 기술의 한계를 극복할 뿐만 아니라, 현재의 암호체계를 무력화할 가능성이 제기되고 있다. 이에 따라 양자내성암호로의 전환이 필수적이며, 다양한 양자내성암호가 연구 개발 중이다. 이번 표준은 국가수리과학연구소의 MS-Sign 전자서명 알고리즘을 기반으로 제안되었으며, MQ-Sign 전자서명은 NIST 표준 양자내성 전자서명보다 짧은 서명 길이와 우수한 성능을 자랑한다. 앞으로도 관련 업체들을 발굴하고, MQ-Sign 전자서명 알고리즘을 선제적으로 활용하여 양자 컴퓨터에 안전한 기술로의 전환을 유도할 계획이다.

올해 5월, 국내 통신기업 KT는 국내 최고 속도 양자 암호 통신 기술 개발에 성공했다. KT는 초당 15만 개의 비밀키 정보를 생성하는 양자 암호 키 분배(QKD, Quantum Key Distribution) 장비 개발에 성공했다고 밝혔다. 이번 기술은 국내 장비 중 가장 빠른 속도로 해외 장비 제조사 비밀키를 생성하는 것으로 알려졌다. QKD는 양자역학적 특성을 통해 정보를 암호화하면 복제가 불가능해 물리적 회선의 도청 시도를 원천적으로 방어할 수 있다.

양자과학기술의 현 동향과 전망

2021년 대한민국은 ‘양자 기술 R&D 투자 전략’을 발표하여 양자과학기술의 연구역량 강화와 기술주권 확보를 목표로 하는 구체적인 비전을 제시했다. 2023년에는 최초로 양자과학기술에 대한 중장기 비전과 종합적인 발전전략을 담은 ‘대한민국 양자과학 기술 전략’을 발표하여, 양자과학기술이 경제안보와 전략적 성장에서 중요한 역할을 할 것임을 공식적으로 공표했다. 특히, 반도체 역량을 활용한 민간 주도의 양자파운드리 시장 개척과 양자시스템의 소자화 및 양산화 추진 계획을 통해 대한민국은 글로벌 기술 시장에서의 경쟁력을 강화할 수 있는 기반을 마련했다.

유형정 KISTEP 연구위원은 최근 한 저널에서 “양자과학기술을 국가전략기술로 선정한 만큼 중·장기적인 지원을 통해 기술과 산업의 선순환 구조를 구축하고, 양자기술 선도국으로 도약할 수 있는 토대를 마련해야 한다”라고 밝혔다. 유 연구위원은 “미국과 영국은 거점 연구소 설립을 통합 기술개발과 인력 양성을 추진하고 있으며, 일본은 타 분야 간 네트워크형 연구거점 연구개발을 계획하고 있다. 우리나라도 거점 연구소 지정과 전문인력 양성을 위한 논의가 필요하다. 거점 연구소와 네트워크 연구거점의 역할, 연구 주제, 양자시스템 플랫폼 등 적절한 방향성에 대한 합의가 선행되어야 할 것이다.”라고 의견을 전했다.

정부는 2035년까지 양자 핵심인력을 2,500명 규모로 양성하고 양자 과학기술 관련 기업을 1,200개까지 육성해 양자 시장 점유율을 10%까지 확대하는 것을 목표로 세웠다. 중장기 목표는 현재 선도국 대비 60% 수준인 한국의 양자 기술을 85% 이상으로 끌어올리는 것이다. 이종호 과학기술정보통신부 장관은 “우리는 양자 분야의 후발주자로 기술 역량과 인프라가 부족하지만, 중장기적으로 글로벌 리더 그룹에 진입할 기회와 가능성은 충분하다”고 말했다. 

[참고기사]

https://www.eroun.net/news/articleView.html?idxno=39784

https://www.korea.kr/news/policyNewsView.do?newsId=148929652#policyNews

https://www.newsis.com/view/NISX20240110_0002587133

https://www.boannews.com/media/view.asp?idx=131151&kind

https://www.yna.co.kr/view/AKR20240523036100017

[참고자료]

2023. 유형정. 양자과학기술의 현 동향과 전망. TTA 저널 210호.