프롤로그 — NISQ는 끝났다, 다음은 무엇인가
2019년 구글이 Sycamore로 양자우월성(quantum supremacy)을 발표한 그날, 우리는 "이걸로 뭘 할 수 있느냐"는 질문에 답하지 못했다. 53큐빗, 게이트 에러 0.5퍼센트, 코히어런스 마이크로초 단위. 실험은 우아했지만 실용성은 0이었다. 그 후 5년간 우리는 NISQ — Noisy Intermediate-Scale Quantum — 라는 이름의 깊은 안개를 통과했다.
2024년 12월, 구글이 Willow 칩 결과를 네이처에 실으면서 그 안개에 균열이 났다. 처음으로 "큐비트를 더 붙일수록 에러가 지수적으로 줄어드는" surface code의 임계점 아래로 내려간 실험이었다. 같은 해 11월 IBM은 Heron R2를 156큐빗으로 확장하면서 2-큐빗 에러율을 5e-4 수준까지 끌어내렸다. 2025년 2월에는 마이크로소프트가 8큐빗 Majorana 1 칩을, AWS가 9큐빗 Ocelot 칩을 거의 같은 주에 발표했다. 두 회사 모두 "큐비트 개수"가 아니라 "에러 보호가 내장된 구조"를 들고 나왔다.
이 글은 2026년 5월 시점의 양자 컴퓨팅 스택을 한 자리에 정리한다. 모달리티 비교, 회사별 로드맵, 프로그래밍 언어, 에러정정 코드, 한국·일본의 국가전략까지. 길지만, 빠르게 읽힌다.
1장 · 양자 컴퓨팅의 큰 그림 — NISQ 시대의 끝
NISQ 시대를 한 줄로 정의하면 "에러정정 없이 50~1000큐빗으로 뭔가 유용한 걸 해보려는 시도"였다. VQE, QAOA, 양자머신러닝 같은 변분 알고리즘이 그 시대의 주력이었고, 결과는 솔직히 미지근했다. 고전 알고리즘이 빠르게 따라잡았고, 노이즈가 회로 깊이를 30 게이트 안쪽으로 묶었다.
2026년의 풍경은 다르다. 핵심 변화 세 가지를 꼽으면:
1. **에러정정 임계점 통과.** Willow가 distance-3, 5, 7 surface code에서 logical 에러율이 단조 감소하는 걸 보였다. 코드 거리를 늘릴수록 에러가 절반씩 줄어드는 — 이게 1996년 Shor가 종이 위에서 증명한 임계점 정리의 첫 실험적 확인이다.
2. **유틸리티-스케일 양자.** IBM은 "Quantum Utility"라는 용어로 100큐빗 이상 회로에서 고전 시뮬레이션이 사실상 불가능한 영역의 계산을 정의한다. Heron R2 + 에러 완화(error mitigation) 조합으로 화학 시뮬레이션·재료과학 영역에서 의미 있는 결과가 나오기 시작했다.
3. **모달리티 다원화.** 초전도가 절대 강자였던 시절이 끝났다. 중성원자(Pasqal·Atom Computing·QuEra)는 1000큐빗을 이미 넘겼고, 이온트랩(Quantinuum·IonQ)은 게이트 충실도에서 99.99퍼센트 영역을 점령했고, 광자(PsiQuantum)는 실온 동작과 광섬유 네트워크 친화성으로 데이터센터 적합성을 주장한다.
NISQ 시대가 "유틸리티 시대"로 넘어가고 있다. "Fault-tolerant" 시대는 그 다음, 빠르면 2029, 늦어도 2032년 안쪽이라는 게 다수 견해다.
2장 · 큐비트 모달리티 6종 — 초전도·이온트랩·중성원자·광자·위상·캣
큐비트는 양자정보를 담는 그릇이다. 그릇을 만드는 물리적 방법에 따라 모달리티가 갈린다. 2026년 시점 주력 6종:
초전도 큐비트 (Superconducting)
알루미늄·니오븀으로 만든 LC 회로를 mK 온도로 냉각해 양자 상태로 만든다. 트랜스몬(transmon)이 표준 디자인. 게이트 시간 10~100ns로 가장 빠르고, 반도체 공정과 친화적이어서 대량 생산이 쉽다. 단점은 큐비트 간 연결이 최근접 격자(nearest-neighbor)로 제한되고, 코히어런스 시간이 100마이크로초 수준에 머무는 것. IBM·구글·Rigetti·IQM이 이 진영.
이온트랩 (Trapped Ion)
이터븀(Yb)·바륨(Ba) 이온을 진공 챔버 안 전기장 트랩에 가두고 레이저로 큐비트 상태를 조작한다. 모든 큐비트가 서로와 직접 얽힐 수 있어서(all-to-all connectivity) 회로 깊이가 절반 이하로 짧아진다. 게이트 충실도 99.99퍼센트로 가장 높지만, 게이트 시간이 마이크로초~밀리초로 느리다. Quantinuum·IonQ가 대표 주자.
중성원자 (Neutral Atom)
루비듐(Rb)·세슘(Cs) 원자를 광학 트위저(optical tweezer)로 잡고 리드버그(Rydberg) 상태로 들뜨게 해 얽힘을 만든다. 1000큐빗 이상 어레이를 그리드 형태로 자유롭게 재구성할 수 있어 스케일링이 가장 쉽다. 게이트 충실도는 99.5퍼센트 수준. Pasqal·Atom Computing·QuEra가 이 진영.
광자 (Photonic)
빛 입자 자체를 큐비트로 쓴다. 실온에서 동작하고, 광섬유로 큐비트를 옮길 수 있어 네트워크 친화적이다. 단점은 광자 생성이 확률적이라 회로 깊이를 늘리기 어렵다는 점. PsiQuantum이 fusion-based quantum computing(FBQC)으로 이 한계를 우회한다.
위상 큐비트 (Topological)
Majorana 페르미온이라는 가상의 입자를 만들어 큐비트 상태를 위상적으로 보호한다. 노이즈에 본질적으로 강해 에러정정 오버헤드가 1/100~1/1000로 줄 거라는 약속. 2025년 2월 마이크로소프트 Majorana 1이 첫 실험적 데모.
캣큐빗 (Cat Qubit)
마이크로파 공진기 안에 두 위상 반대인 코히어런트 상태(슈뢰딩거 고양이 상태)를 큐비트로 쓴다. 비트플립 에러가 지수적으로 억제되어 한 종류의 에러만 정정하면 된다. AWS Ocelot이 2025년 2월 발표.
| 모달리티 | 대표회사 | 큐비트 수 (2026) | 게이트 시간 | 2큐빗 충실도 | 연결성 |
|---|---|---|---|---|---|
| 초전도 | IBM·Google·Rigetti·IQM | 105~156 | 10~100ns | 99.5~99.9% | 최근접 |
| 이온트랩 | Quantinuum·IonQ | 56~64 | 10us~1ms | 99.9~99.99% | All-to-all |
| 중성원자 | Pasqal·Atom·QuEra | 256~1180 | 1us | 99.5% | 재구성형 |
| 광자 | PsiQuantum·Xanadu | (모듈형) | ns | 측정형 | 광섬유 |
| 위상 | Microsoft | 8 | 추정 us | 미공개 | 격자 |
| 캣 | AWS | 9 | us | 미공개 | 격자 |
3장 · IBM Quantum Heron R2 — 156큐빗과 System Two
IBM은 2025년 11월 Heron R2를 156큐빗으로 확장 발표했다. R2의 핵심은 "큐비트 수를 늘리되 2큐빗 게이트 에러를 더 낮춘다"는 것 — 2큐빗 에러율 중앙값 5e-4, 회로 깊이 5000 게이트 영역에서 의미 있는 결과가 가능하다고 주장한다.
IBM 로드맵의 핵심 단어는 Quantum System Two다. 단일 칩이 아니라, 여러 Heron 모듈을 m-쿠플러(m-coupler)와 l-쿠플러(l-coupler)로 묶어 200큐빗·1000큐빗 클래스를 만드는 것. 2026년 시점 IBM Yorktown에 첫 System Two가 가동 중이고, Cleveland Clinic에도 한 대가 설치됐다.
IBM의 다음 칩 Kookaburra는 2026년 말 1386큐빗을 목표로 한다. Condor(1121큐빗) 다음 세대. 하지만 IBM은 "큐비트 수 경쟁"보다 "에러 완화 + 일부 에러 정정" 조합의 유틸리티-스케일 양자에 베팅한다. Qiskit Runtime의 PEC(probabilistic error cancellation)와 ZNE(zero-noise extrapolation)가 그 도구.
Qiskit으로 Heron R2에 회로를 보내는 코드 예:
from qiskit import QuantumCircuit
from qiskit_ibm_runtime import QiskitRuntimeService, SamplerV2
service = QiskitRuntimeService(channel="ibm_quantum")
backend = service.backend("ibm_heron_r2")
qc = QuantumCircuit(3)
qc.h(0)
qc.cx(0, 1)
qc.cx(1, 2)
qc.measure_all()
sampler = SamplerV2(backend)
job = sampler.run([qc], shots=1024)
print(job.result()[0].data.meas.get_counts())
4장 · Google Willow (2024.12) — 지수적 에러 감소의 의미
Willow는 105큐빗 초전도 칩이다. 큐비트 수만 보면 Heron R2보다 적지만, Willow가 던진 메시지는 다른 차원의 것이다.
핵심 결과 두 가지:
**첫째, 임계점 아래.** Willow는 distance 3, 5, 7 surface code 패치에서 코드 거리가 늘 때마다 logical 에러율이 약 2배씩 감소함을 보였다. 이게 "below threshold" — surface code가 작동하는 영역으로 들어왔다는 첫 실험적 확인이다. 1996년 Shor가 종이 위에서 증명한 fault-tolerance 정리가 28년 만에 실험실에서 재현됐다.
**둘째, RCS 벤치마크.** Random Circuit Sampling을 105큐비트·40-깊이로 실행했을 때 세계 최고 슈퍼컴퓨터 Frontier로 10^25년이 걸릴 작업을 5분에 끝냈다. 2019년 Sycamore의 53큐비트 실험을 6년 만에 두 자릿수 차이로 갱신한 셈.
Willow의 큐비트 코히어런스 시간은 T1 ~ 100us로 Sycamore보다 5배 늘었다. 게이트 충실도도 single-qubit 99.95%, 2-qubit 99.7% 수준. 구글이 다음으로 노리는 건 logical qubit 1개 — distance-7 surface code 패치를 하나 묶어 "에러정정된 한 큐빗"을 만드는 것. 거기서 100개·1000개로 늘리는 게 본격적인 fault-tolerant 시대로 가는 길.
Cirq로 Willow에 회로를 보내는 코드:
processor_id = "willow"
sampler = cirq_google.get_engine().get_processor(processor_id).get_sampler()
q0, q1 = cirq.GridQubit(4, 1), cirq.GridQubit(4, 2)
circuit = cirq.Circuit(
cirq.H(q0),
cirq.CNOT(q0, q1),
cirq.measure(q0, q1, key="m"),
)
result = sampler.run(circuit, repetitions=1000)
print(result.histogram(key="m"))
5장 · Quantinuum H2/H3 — 이온트랩의 강자
Quantinuum은 Honeywell의 양자 사업부와 Cambridge Quantum이 합쳐진 회사다. 2024년 H2 시스템을 56큐빗으로 운영하고 2025년 H3가 시범 가동에 들어갔다. 이온트랩 진영에서 가장 큰 시스템이다.
H2의 차별점은 QCCD(Quantum Charge-Coupled Device) 아키텍처다. 이온들을 진공 트랩 안에서 셔틀처럼 움직여 임의의 두 큐비트를 같은 게이트 존에 모은 뒤 얽힘을 만든다. 사실상 all-to-all connectivity가 자연스럽게 나온다. 2큐비트 게이트 충실도 99.87퍼센트로 업계 최고 수준.
H2 위에서 Quantinuum은 2024년 후반에 fault-tolerant 한 logical qubit을 carbon-12 색깔 코드(color code)로 인코딩하는 데 성공했다. distance-3 패치로 logical 에러율을 raw 에러율보다 낮춘 첫 사례. 2025년에는 distance-5로 확장.
H3는 56큐빗에서 더 적은 큐비트 수로 시작하지만 게이트 시간을 단축하고 2D 트랩으로 전환한다. Quantinuum 로드맵은 2027년 Sol(가칭), 2029년 Apollo로 이어진다.
OpenQASM 3로 Quantinuum 백엔드에 회로 보내기:
from qiskit_quantinuum import QuantinuumBackend
backend = QuantinuumBackend(name="H2-1")
qasm = """
OPENQASM 3.0;
qubit[3] q;
bit[3] c;
h q[0];
cx q[0], q[1];
cx q[1], q[2];
c = measure q;
"""
job = backend.run(qasm, shots=1024)
print(job.result().get_counts())
6장 · IonQ Tempo — Forte의 후속, 64큐빗
IonQ는 2024년에 Forte Enterprise(36 알고리즘 큐빗)를, 2025년 후반에는 Tempo(64 알고리즘 큐빗)를 발표했다. "알고리즘 큐빗(algorithmic qubit, AQ)"이라는 자체 지표를 쓰는데, 이는 "노이즈가 있는 상태에서도 의미 있는 알고리즘을 돌릴 수 있는 유효 큐빗 수"를 뜻한다.
IonQ의 이온은 바륨(Ba+)이다. Quantinuum의 이터븀(Yb)과 다르다. 바륨은 가시광선 영역의 레이저로 조작할 수 있어 저렴한 광원(다이오드 레이저)을 쓸 수 있고, 광섬유와의 호환성도 좋다. 단점은 동위원소 분리가 필요하고 트랩 디자인이 복잡한 것.
Tempo는 AWS Braket·Microsoft Azure Quantum·Google Cloud 세 클라우드에 모두 올라간다. 클라우드 접근성에서는 IonQ가 가장 개방적이다.
Braket에서 IonQ Tempo에 회로 보내기:
from braket.aws import AwsDevice
from braket.circuits import Circuit
device = AwsDevice("arn:aws:braket:::device/qpu/ionq/Tempo")
circ = Circuit().h(0).cnot(0, 1).cnot(1, 2)
task = device.run(circ, shots=1000)
print(task.result().measurement_counts)
7장 · Pasqal Orion / Atom Computing — 중성원자의 약진
중성원자 진영은 2024~2026년 사이 가장 빠르게 큰 진영이다.
Pasqal Orion (프랑스)
Pasqal은 100큐비트·256큐비트 시스템을 거쳐 Orion 시리즈로 1000큐빗을 목표로 한다. 광학 트위저로 루비듐 원자를 임의 격자로 배열할 수 있어 격자형·삼각형·임의 그래프형 토폴로지를 즉석에서 만든다. 양자 어닐링(quantum annealing)과 디지털 회로 모드 둘 다 지원.
Pasqal SDK는 Pulser라는 펄스 레벨 프로그래밍 라이브러리다. 게이트가 아니라 레이저 펄스 모양 자체를 설계한다.
from pulser import Pulse, Sequence, Register
from pulser.devices import AnalogDevice
from pulser.waveforms import BlackmanWaveform
reg = Register.rectangle(2, 2, spacing=5)
seq = Sequence(reg, AnalogDevice)
seq.declare_channel("ising", "rydberg_global")
pulse = Pulse.ConstantDetuning(
BlackmanWaveform(1000, 8.0), 0.0, 0.0
)
seq.add(pulse, "ising")
result = seq.draw()
Atom Computing (미국)
Atom Computing은 2023년에 1180큐빗 어레이를 시연했다. 세슘(Cs) 원자를 쓰고, 핵스핀(nuclear spin)을 큐비트로 저장하면서 광스핀(optical spin)으로 게이트를 친다. 이 분리 덕분에 코히어런스 시간이 40초로 모든 모달리티 중 가장 길다.
Atom Computing은 미군 NIST와 표준화 작업, Microsoft Azure Quantum과 통합 작업을 진행 중이다.
QuEra (미국)
QuEra는 256큐빗 Aquila 시스템을 AWS Braket에서 운영한다. 아날로그·디지털 하이브리드 모드로 양자 시뮬레이션을 강점으로 한다.
8장 · PsiQuantum — 광자, 10억 큐빗 계획
PsiQuantum은 실리콘 포토닉스 공정으로 광자 큐비트를 만든다. GlobalFoundries의 300mm 웨이퍼 라인에 양자 회로를 새기는 게 핵심 아이디어. 단일 칩이 아니라 모듈형 광자 시스템으로 100만~10억 큐빗 규모를 목표로 한다.
광자 큐비트는 실온에서 동작하고 광섬유로 큐비트를 그대로 옮길 수 있다는 점에서 데이터센터 친화적이다. 단점은 광자 생성이 확률적(probabilistic)이라는 것. PsiQuantum은 이를 fusion-based quantum computing(FBQC)이라는 아키텍처로 우회한다. 작은 얽힘 상태(resource state)들을 미리 만들어두고 "퓨전 측정"으로 큰 얽힘을 합성한다.
2024년 PsiQuantum은 호주 브리즈번에 첫 fault-tolerant 시스템을 건설한다고 발표했고, 2025년에는 일리노이 시카고에도 두 번째 사이트를 확정했다. 두 시설 모두 2027~2029년 가동 목표.
PsiQuantum의 약속이 진짜인지는 아직 미지수다. 다른 회사들이 100~1000큐빗에서 실제 측정값을 보여주는 동안, PsiQuantum은 "수백만 큐빗이 한 번에"라는 큰 그림을 그린다. 모 아니면 도.
9장 · Rigetti / IQM — 초전도의 도전자들
IBM·구글 외에도 초전도 진영에 두 회사가 있다.
Rigetti Computing (미국)
Rigetti는 2024년 Ankaa-3 시스템을 84큐빗으로, 2025년에는 84큐빗 두 모듈을 합쳐 168큐빗 멀티칩 시스템을 시연했다. AWS Braket과 자체 Quantum Cloud Services(QCS) 둘 다 접근 가능. Rigetti의 강점은 빠른 게이트 시간(2큐빗 게이트 70ns)이다.
Rigetti SDK는 Forest인데, pyQuil로 회로를 짠다:
from pyquil import Program, get_qc
from pyquil.gates import H, CNOT, MEASURE
p = Program()
ro = p.declare("ro", "BIT", 2)
p += H(0)
p += CNOT(0, 1)
p += MEASURE(0, ro[0])
p += MEASURE(1, ro[1])
qc = get_qc("Ankaa-3")
result = qc.run(p.wrap_in_numshots_loop(1000))
print(result.readout_data.get("ro"))
IQM (핀란드)
IQM은 유럽 양자 컴퓨팅의 대표주자다. 본사는 핀란드 에스푸. 2024년 IQM Star 54큐빗 시스템을 출시, 독일 융프라우 슈퍼컴퓨터 센터에 설치했다. 2025년에는 IQM Radiance 150큐빗 시스템 발표.
IQM은 유럽 EuroHPC 펀딩으로 폴란드·체코·스페인 슈퍼컴퓨터 센터에 양자 시스템을 공급하는 계약을 잇따라 따냈다. "HPC 보조 양자 컴퓨터" 포지셔닝이 분명하다.
IQM의 OpenQASM 3 지원이 강점. Qiskit·Cirq 둘 다와 호환된다.
10장 · Microsoft Majorana 1 (2025.2) — 위상 큐비트의 첫 결과
2025년 2월 마이크로소프트는 Majorana 1 칩 결과를 네이처에 게재했다. 8큐빗 칩으로 "토포컨덕터(topoconductor)"라는 새로운 물질 — 인듐비소화물(InAs) 나노와이어와 알루미늄(Al) 초전도체의 조합 — 위에서 Majorana zero modes를 측정한 것.
핵심 주장: Majorana 페르미온 두 개가 한 쌍이 되어 한 큐비트를 만들고, 두 페르미온이 공간적으로 분리되어 있어 국소 노이즈에 영향을 안 받는다. 이론적으로 에러정정 오버헤드가 surface code의 1/100~1/1000.
회의적인 시각도 많다. 2018년 마이크로소프트가 Majorana 관측을 발표했다가 데이터 분석 오류로 철회한 적이 있다. Majorana 1이 진짜 위상 보호된 큐비트인지, 단순한 안드레예프 바운드 상태(Andreev bound state)인지는 학계 의견이 갈린다.
마이크로소프트의 약속은 "5년 안에 100만 위상 큐비트". 진짜라면 게임 체인저, 아니라면 다시 한 번 큰 좌절. 2026~2027년 다음 데이터가 가른다.
Q#으로 위상 큐비트 알고리즘 짜기:
namespace Sample {
open Microsoft.Quantum.Canon;
open Microsoft.Quantum.Intrinsic;
open Microsoft.Quantum.Measurement;
operation BellPair() : (Result, Result) {
use q = Qubit[2];
H(q[0]);
CNOT(q[0], q[1]);
let r0 = M(q[0]);
let r1 = M(q[1]);
ResetAll(q);
return (r0, r1);
}
}
11장 · AWS Ocelot (2025.2) — 캣큐빗의 등장
같은 2025년 2월, AWS는 Ocelot 칩을 발표했다. 9큐빗 시스템, 캘텍의 양자 연구소와 협력한 결과물.
캣큐빗(cat qubit)은 마이크로파 공진기 안에 두 위상이 180도 반대인 코히어런트 상태 — 슈뢰딩거의 고양이 같은 상태 — 를 큐비트로 쓴다. 두 상태가 본질적으로 떨어져 있어 "비트플립(0과 1 사이의 뒤집힘) 에러"가 지수적으로 억제된다. 남는 건 위상플립 에러뿐이고, 한 종류 에러만 정정하면 되니까 에러정정 오버헤드가 크게 줄어든다.
Ocelot은 5개 데이터 큐비트 + 4개 측정용 버퍼 + 위상플립 정정을 한 칩에 통합한 첫 시스템이다. 비트플립이 100배 억제됐다는 측정값을 함께 발표.
AWS는 Braket에서 Ocelot 접근을 단계적으로 열고 있다. 마이크로소프트·구글·AWS·IBM이 각자 다른 fault-tolerance 경로를 걷는 중 — 위상(MS), surface code(Google), Heron + 에러완화(IBM), 캣큐빗(AWS).
12장 · Qiskit / Cirq / Q# / OpenQASM 3 — 프로그래밍 표준
양자 프로그래밍 언어 4종을 비교한다.
Qiskit (IBM)
가장 큰 생태계. Python 기반, IBM Quantum + IonQ + Quantinuum + IQM 등 다수 백엔드. Qiskit Runtime이 클라우드 실행 환경. 2024년 Qiskit 1.0이 안정 버전 진입.
from qiskit import QuantumCircuit, transpile
from qiskit_aer import AerSimulator
qc = QuantumCircuit(2, 2)
qc.h(0)
qc.cx(0, 1)
qc.measure([0, 1], [0, 1])
sim = AerSimulator()
tqc = transpile(qc, sim)
result = sim.run(tqc, shots=1024).result()
print(result.get_counts())
Cirq (Google)
구글 양자 하드웨어 전용으로 시작했지만 점차 다른 백엔드도 지원. NumPy 친화적, AI 연구자에게 편한 디자인. cirq-google·cirq-ionq·cirq-pasqal 등 백엔드 어댑터.
Q# (Microsoft)
도메인 특화 언어다. Python·C#에서 호출하는 외부 언어 형태. Azure Quantum 백엔드와 통합. 함수형 스타일, 강타입, 양자 자원 추정(resource estimation) 도구가 강점.
OpenQASM 3
회사 중립적인 양자 어셈블리 언어. OpenQASM 2의 후속, 2021년 표준화. 2026년 시점 IBM·Quantinuum·IonQ·Pasqal 다수 회사가 OpenQASM 3을 입력으로 받는다. Qiskit이 OpenQASM 3을 내보낼 수 있고, OpenQASM 3에서 Qiskit으로 임포트도 된다.
OPENQASM 3.0;
include "stdgates.inc";
qubit[3] q;
bit[3] c;
h q[0];
cx q[0], q[1];
cx q[1], q[2];
c = measure q;
PennyLane (Xanadu)
양자머신러닝 특화. PyTorch·TensorFlow·JAX와 통합되어 양자 회로를 미분 가능한 신경망 층으로 쓴다.
dev = qml.device("default.qubit", wires=2)
@qml.qnode(dev)
def circuit(params):
qml.RX(params[0], wires=0)
qml.RY(params[1], wires=1)
qml.CNOT(wires=[0, 1])
return qml.expval(qml.PauliZ(0))
print(circuit([0.5, 0.3]))
13장 · 양자 에러 정정 — Surface / Color / Floquet
NISQ에서 fault-tolerance로 가는 다리가 양자 에러 정정 코드(QEC)다.
Surface Code
평면 격자 위에 큐비트를 배치하고 인접한 큐비트들끼리만 측정하는 코드. 임계 에러율(threshold)이 약 1퍼센트로 가장 너그럽다 — 물리 큐비트의 2큐빗 에러율이 1퍼센트 이하면 코드 거리를 늘릴수록 logical 에러가 줄어든다. distance-d 패치는 큐비트 d^2개로 한 개의 logical 큐비트를 만든다. distance-5 패치는 25큐비트, distance-7 패치는 49큐비트. 구글 Willow가 distance-7에서 below threshold를 시연.
Color Code
삼각형 격자 위 코드. surface code보다 측정해야 할 스태빌라이저가 많지만, transversal CNOT 같은 게이트가 자연스럽게 들어 있다는 장점이 있다. Quantinuum의 carbon-12 color code 데모가 대표 예. 이온트랩의 all-to-all connectivity와 잘 맞는다.
Floquet Code
시간에 따라 측정 패턴을 바꾸는 동적 코드. 2022년 Microsoft 연구진이 제안. surface code보다 큐비트 효율이 좋고, 측정 오버헤드를 시간으로 분산할 수 있어 하드웨어 친화적. 2025년 일부 실험적 구현 발표.
Concatenated / qLDPC
전통적 concatenated code(Steane code, Bacon-Shor 등) 외에, 2024년부터 양자 LDPC(quantum low-density parity-check) 코드가 주목받는다. IBM의 bivariate bicycle code가 대표 예 — distance-12 코드를 144 물리큐빗으로 만들 수 있어 surface code 대비 큐비트 효율이 5~10배.
| 코드 | 임계점 | 큐비트 비율 (d=7) | 적합 모달리티 |
|---|---|---|---|
| Surface | 1.0% | 49:1 | 초전도 |
| Color | 0.5% | 49:1 | 이온트랩 |
| Floquet | 1.0% | 50:1 | 초전도 |
| qLDPC (BB) | 0.3% | 12:1 | 초전도+장거리 |
14장 · 한국 (KISTI, ETRI) / 일본 (RIKEN, NEC, Fujitsu, NTT)
아시아의 양자 전략은 미국·유럽과 결이 다르다. 국가 주도 + 산학연 컨소시엄 형태.
한국
**KISTI(한국과학기술정보연구원)** 는 IBM Quantum System Two를 2024년 11월 연세대학교 송도캠퍼스에 설치 발표, 2025년 가동에 들어갔다. 아시아 첫 IBM 시스템. 한국 정부의 양자컴퓨팅·통신·센싱 종합 계획 2030의 일환.
**ETRI(한국전자통신연구원)** 는 자체 초전도 큐비트를 개발한다. 2024년 20큐비트 시제품을 발표, 2026년 50~100큐비트 시스템 시연 목표. 게이트 충실도는 99.5퍼센트 수준으로 IBM·구글에는 못 미치지만, 자체 기술 보유에 의의가 있다.
**Q-Center**는 KAIST·SNU·POSTECH 컨소시엄. 양자 알고리즘·소프트웨어 연구가 강점.
**삼성·SK텔레콤·LG**는 양자 통신(QKD) 쪽에 집중. SK텔레콤은 ID Quantique 지분을 보유.
일본
**RIKEN**은 후지쯔와 공동으로 64큐빗 초전도 양자 컴퓨터를 2023년 3월 공개, 2025년에는 256큐빗 시스템 가동에 들어갔다. 일본의 양자 플래그십.
**NEC**는 양자 어닐링 전용 시스템을 개발한다. D-Wave와 비슷한 어닐러 + 초전도 게이트형 둘 다.
**Fujitsu**는 RIKEN과의 협력 외에, Quantum-Inspired Computing이라는 고전 하드웨어 위에 양자 알고리즘을 흉내내는 디지털 어닐러 사업도 한다.
**NTT**는 광 양자 컴퓨팅에 집중. 광섬유와 양자정보를 동시에 다루는 자사 강점을 살려 photonic quantum 노선.
**Toshiba**는 양자 키 분배(QKD) 상용화에서 세계 선두권. 양자 컴퓨팅 자체보다 양자 보안 쪽 비즈니스.
일본 정부는 Moonshot Program 8번 목표 — 2050년 fault-tolerant 양자 컴퓨터 — 에 1조원 단위 예산을 배정.
15장 · 양자 컴퓨팅 응용 — 화학·재료·암호·금융·머신러닝
2026년 시점 가장 가까운 응용 5종을 짚는다.
양자 화학 (Quantum Chemistry)
분자 에너지 계산. VQE(Variational Quantum Eigensolver)와 quantum phase estimation으로 작은 분자(H2O, LiH, BeH2 등)의 ground state 에너지를 계산한다. 2024년 IBM은 78큐빗에서 페로브스카이트 결정 표면 시뮬레이션을 발표.
재료 과학
자기 재료, 초전도체, 위상 재료의 시뮬레이션. Hubbard 모델, Ising 모델을 양자 시뮬레이터에서 직접 돌린다.
양자 후 암호 (PQC, Post-Quantum Cryptography)
RSA·ECC를 깨는 Shor 알고리즘은 2000~4000 logical 큐빗으로 RSA-2048을 깨는 데 약 10시간이 걸린다는 추정. 2026년 시점 그게 가능한 시스템은 없지만, NIST는 2024년 8월 PQC 표준을 확정(ML-KEM, ML-DSA, SLH-DSA)했다. 정부·금융기관은 이미 PQC로 마이그레이션 중.
양자 머신러닝 (QML)
이론적으로 양자 컴퓨터는 일부 머신러닝 문제에 지수적 가속을 줄 수 있다(HHL 알고리즘). 실제로는 데이터 입출력 병목 때문에 가속 폭이 크지 않다는 게 현재 시각. PennyLane·TensorFlow Quantum이 도구.
금융 모델링
옵션 가격 산정, 포트폴리오 최적화. 골드만삭스·JP모건이 IBM·Quantinuum과 파일럿. QAOA를 쓴다.
16장 · 2026년 이후 로드맵 — Useful Quantum Advantage는 언제?
회사별 약속을 정리하면:
| 회사 | 2026 | 2027 | 2028~30 |
|---|---|---|---|
| IBM | Heron R2 + System Two | Kookaburra 1386q | Blue Jay 모듈형 |
| Google | Willow 후속 | Logical qubit 1 | Logical qubit 100 |
| Quantinuum | H3 64q | Sol | Apollo (수천 logical q) |
| IonQ | Tempo 64 AQ | Quartz | (수백 AQ) |
| Pasqal | Orion 1000q | (확장) | 10000q 목표 |
| Atom | 2000q | 5000q | 10000q |
| PsiQuantum | 모듈 실증 | 첫 fault-tolerant | 100만q |
| Microsoft | Majorana 후속 | 100 위상 q | 100만 위상 q |
| AWS | Ocelot 확장 | (다음 칩) | fault-tolerant |
| RIKEN | 256q | (확장) | 1000q |
| ETRI | 50~100q | (확장) | (목표 미공개) |
"useful quantum advantage" — 고전 컴퓨터로 안 풀리는 진짜 응용 문제를 양자가 푸는 시점 — 은 2027~2029년이 다수 견해. 화학·재료 시뮬레이션이 가장 먼저, 그 다음 최적화·머신러닝, 마지막에 암호 해독.
17장 · 참고 자료 / References
- Google Willow 발표 (Nature, 2024.12) — https://blog.google/technology/research/google-willow-quantum-chip/
- Google Quantum AI 페이지 — https://quantumai.google/
- IBM Quantum Heron R2 — https://www.ibm.com/quantum/blog/quantum-roadmap-2025
- IBM Qiskit — https://qiskit.org/
- IBM Quantum Platform — https://quantum.ibm.com/
- Quantinuum H2 — https://www.quantinuum.com/products/h2
- Quantinuum Color Code (Nature, 2024) — https://www.nature.com/articles/s41586-024-08316-w
- IonQ Tempo 발표 — https://ionq.com/news
- Pasqal Orion — https://www.pasqal.com/
- Pasqal Pulser SDK — https://pulser.readthedocs.io/
- Atom Computing 1180q (2023) — https://atom-computing.com/
- QuEra Aquila — https://www.quera.com/
- PsiQuantum Brisbane — https://psiquantum.com/
- Microsoft Majorana 1 (Nature, 2025.2) — https://www.nature.com/articles/s41586-025-08703-x
- Microsoft Q# / Azure Quantum — https://azure.microsoft.com/en-us/products/quantum
- AWS Ocelot 발표 (2025.2) — https://aws.amazon.com/blogs/quantum-computing/
- AWS Braket — https://aws.amazon.com/braket/
- Rigetti Ankaa-3 — https://www.rigetti.com/
- IQM Star / Radiance — https://www.meetiqm.com/
- OpenQASM 3.0 사양 — https://openqasm.com/
- Cirq (Google) — https://quantumai.google/cirq
- PennyLane (Xanadu) — https://pennylane.ai/
- arXiv quant-ph — https://arxiv.org/list/quant-ph/recent
- Surface code 리뷰 (Fowler et al, 2012) — https://arxiv.org/abs/1208.0928
- IBM qLDPC bivariate bicycle code — https://arxiv.org/abs/2308.07915
- Floquet code (Hastings, Haah, 2022) — https://arxiv.org/abs/2107.02194
- NIST PQC 표준 — https://csrc.nist.gov/projects/post-quantum-cryptography
- KISTI 양자컴퓨팅센터 — https://www.kisti.re.kr/
- ETRI 양자컴퓨팅 — https://www.etri.re.kr/
- RIKEN RQC 64-qubit 시스템 — https://www.riken.jp/en/research/labs/rqc/
- 일본 Moonshot Goal 8 — https://www8.cao.go.jp/cstp/moonshot/
양자 컴퓨팅은 더 이상 "10년 뒤"가 아니다. 2026년 5월, 우리는 NISQ의 끝과 fault-tolerance의 시작 사이 어딘가에 서 있다. 다음 3년이 결정적이다.
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2019년 구글이 Sycamore로 양자우월성(quantum supremacy)을 발표한 그날, 우리는 "이걸로 뭘 할 수 있느냐"는 질문에 답하지 못했다. 53큐빗, 게이트 에러...