Special 국가전략산업 양자 기술 개발 동향 및 산업응용 전망(2)

양자소부장 기술 보고서: 산업화를 위한 기반기술과 전략적 방향성

송진동_한국과학기술연구원 양자기술연구단 책임연구원

1. 들어가며

양자기술은 21세기 정보기술의 패러다임 전환을 이끄는 핵심 기술로 평가받고 있다. 양자컴퓨터, 양자통신, 양자센서 등은 기존 기술로 해결할 수 없는 계산, 보안, 계측 문제를 양자역학의 법칙을 이용해 극복하려는 시도이다. 그러나 이와 같은 시스템을 실현하기 위해서는 단순히 양자알고리즘이나 이론적 설계만으로는 부족하며, 이를 물리적으로 구현하기 위한 고성능 소재, 정밀 부품, 첨단 장비가 필수적으로 요구된다.

  이를 일컫는 것이 바로 양자소부장 기술이며, 이는 양자산업 생태계의 기반을 형성한다. 그러나 실제 산업화의 단계에서는 이보다 더 넓은 개념의 양자활성화기술(Quantum Enabling Technology)이 필요하다. 양자기술의 실현은 본질적으로 양자적 특성에 기반하지만, 그 기반 위에 놓이는 것은 대체로 기존의 비양자 기술들이기 때문이다. 본 보고서에서는 양자소부장기술을 양자활성화기술을 포괄하는 의미로 정의하고, 기술 분류, 공급망 구조, 해외 동향 및 한국의 전략적 방향성을 종합적으로 분석하고자 한다.

양자소부장은 양자기술 시스템을 구성하는 데 필수적인 소재(Materials), 부품(Components), 장비(Equipment)를 의미한다. 구체적으로는 다음과 같은 구성요소를 포함한다. 1) 양자 Qubit을 구성하는 기반 소재, 2) 단광자 광원, 검출기, 양자신호 증폭기 등 핵심 부품, 3) 양자 환경을 구성하는 극저온 냉각기, 진공장치 등 제어 장치, 4) 이들을 가공하거나 측정하기 위한 측정·제조 장비로 거칠게 분류해 볼 수 있다. 물론 양자기술을 구현하는 Qubit 별로 (경쟁 중인 초전도, Trapped ion, 중성원자, 광자, Spin Qubit들 그리고 새로운 Qubit들) 소부장 분류가 가능하고, 시스템 응용을 기반으로 재분류가 가능하다. 본고에서는 전체를 바라보는 관점에서 Qubit과 시스템 응용을 모두 다 섞어서 보는 관점을 취하겠다. 

2. 양자소부장 기술 동향

오늘날의 양자기술은 전자공학 초창기인 진공관 시대에 비유된다. 트랜지스터가 등장하기 전, 전자회로는 비효율적이고 대형화되어 있었으며, 부품 대부분을 직접 제작해야 했다. 양자기술도 아직은 각 Qubit 플랫폼에 따라 별도의 소재, 별도의 부품을 일일이 설계·제작하고 있으며, 양자산업의 대중화나 현재 컴퓨터와 같이 조립식 구현은 아직 오지 않았다. 만약 현재의 전자공학과 양자기술을 1:1로 비유한다면, 트랜지스터 → 안정적 양자 Qubit 플랫폼, PCB 설계/제조 기술 → Qubit 제어 회로 및 극저온 인터페이스 등, 시스템 통합 능력 → 양자모듈 및 패키징 기술, 그리고 software → 양자 software로 비유해 볼 수 있다. 

  양자기술의 발전이 이론적으로는 빠르게 이루어지고 있지만, 실제 산업화에서 병목이 발생하는 지점은 대부분 양자소부장 기술이다. 특히 소재의 순도, 부품의 정밀도, 장비의 신뢰성은 양자특성을 유지하기 위한 절대적인 조건이며, 이 기술들은 대개 기존의 정밀제조산업의 역량과 직결된다. 그래서 일본은 양자소부장을 중심으로 양자기술 산업화를 추진중이고 양자FAB 설립 및 기업연합 중심의 양자소부장 집중 투자중이다. 또한 프랑스는 소부장을 양자컴퓨터, 양자통신, 양자센서와 동등한 핵심 축으로 인식하고 있으며, 소부장 관련 투자 우선순위도 높다. 영국은 다이아몬드 소재 및 광원 기술 중심의 소부장 확보에 집중하고 있고, 고성능 여기 레이저, 유전체 광소자 국산화 강화에 노력중이다. 중국은 LiNbO₃ 등 양자 소재 독점화 전략을 진행중이며, 최근 Ga (GaAs 소재포함), Ge 원소 수출 통제 선언으로 글로벌 공급망 재편 시도 하고 있다. 미국은 QED-C에서 공급망을 기술별로 세분화하여 극저온 증폭기, 극저온 냉동기 등 핵심 양자소부장에 수출 규제를 적용하고 있고, InP, SPAD 양자소재/부품도 전략물자화 중이다 [1][2].

  소부장 선점의 전략적 가치를 이야기해 본다면, 양자기술의 시장 지배는 양자소부장 생태계 보유국에 집중될 가능성이 높다. 그리고 핵심 소재/부품에 대한 해외 의존성은 기술 종속 구조로 이어질 위험 존재한다. 마지막으로 양자소부장을 바탕으로 표준화, 모듈화, 양산화가 가능해야 양자산업이 성숙단계로 진입 가능하다는 점이다. 역시 기존의 컴퓨터 산업과 유사한 흐름을 가고 있다. 많은 연구자들이 QPU같은 양자 과학의 핵심에 집중하자고 이야기하고 있고, 이는 근본적으로 옳은 말이다. 그러나 컴퓨터 산업에 비유한다면, INTEL 혹은 AMD사와 같이 CPU를 만들지 못하는 기업들이 컴퓨터 산업에서 모니터, 마우스, 키보드, HDD, mother board, 그래픽 카드, software 등을 만들면서 많은 이윤을 내고 있다. 즉, 양자소부장은 산업적으로 이윤을 만들어 내는 부분이며, 양자 산업의 핵심은 분명히 QPU와 같은 양자 핵심 기술의 완성이후 양자 소부장의 생산력을 누가 가지냐에 따라서 그쪽으로 이동할 것이다. 

그림 1. 양자기술의 공급 체인 분석

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<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2025년 9월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>