AWS ‘Ocelot' 양자 칩과 IonQ 창업 이야기

양자 칩 기술 알아보기

아마존웹서비스(AWS)가 2025년 2월 발표한 ‘Ocelot’ 양자 칩은 초전도 기반의 새로운 아키텍처를 채택한 장치입니다. 이 칩은 ‘캣 큐비트(cat qubit)’라 불리는 보소닉 상태 기반의 큐비트를 활용하며, 본질적으로 비트-플립 오류를 억제하는 잡음 편향 구조를 가지고 있습니다. 이를 통해 기존 오류 정정 방식보다 훨씬 적은 물리 큐비트로 논리적 양자 연산이 가능해졌으며, AWS는 이를 통해 오류 정정 자원 소요를 최대 90%까지 줄일 수 있다고 발표하였습니다. 캘리포니아 공과대학교(Caltech)에 위치한 AWS 양자 컴퓨팅 센터에서 개발된 이 칩은 5개의 데이터 캣 큐비트와 4개의 앤실라 큐비트로 구성되어, 기존 표면 부호 방식 대비 5분의 1 수준의 큐비트 수로 오류 정정 효과를 실현하였습니다. Ocelot 칩은 또한 기존 반도체 공정과 유사한 방식으로 제작되어, 향후 대량 생산과 확장성 측면에서도 유리한 기반을 갖추고 있습니다. AWS는 향후 이 칩을 브래킷(Braket) 플랫폼을 통해 상용 클라우드 서비스로 통합할 계획이며, 이러한 기술이 양자컴퓨터 상용화 시점을 최대 5년 앞당길 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

한편 IonQ는 트랩된 이온 기반의 양자컴퓨터를 개발하는 스타트업으로, 2015년 크리스토퍼 먼로와 김정상 두 교수가 공동 설립하였습니다. 이들은 미국 메릴랜드대학교와 듀크대학교에서 오랜 기간 협력 연구를 수행하였으며, 이를 토대로 상용화 가능한 트랩 이온 양자컴퓨터를 만들겠다는 목표로 IonQ를 창업하였습니다. IonQ의 큐비트는 이터븀(Yb+) 이온을 전자기장에 가두어 구현되며, 레이저를 통해 개별 큐비트에 정밀 제어를 가하는 방식입니다. 모든 큐비트가 서로 직접 연결되는 ‘전 상호 연결(all-to-all connectivity)’을 구현하여 알고리즘 실행 시 회로 최적화에 강점을 보입니다. IonQ는 2020년 32큐비트 시스템을 발표하며 업계 최고 수준의 양자 볼륨을 기록하였고, 이후에도 IonQ Aria 및 Forte 등의 장비를 개발하며 기술 진보를 이어가고 있습니다. 이 회사는 Microsoft Azure 및 AWS Braket을 통해 클라우드 기반 양자컴퓨팅 서비스를 제공하고 있으며, 현대차, JP모건 등과 함께 산업 응용 프로젝트를 활발히 진행 중입니다.

기술적으로 두 회사는 근본적으로 상반된 접근을 취하고 있습니다. AWS는 오류 정정 내재화를 통해 장기적인 범용 양자컴퓨터 실현을 지향하는 반면, IonQ는 높은 품질의 물리 큐비트를 바탕으로 NISQ 시대의 실용적 응용을 목표로 하고 있습니다. AWS Ocelot은 초전도 회로를 기반으로 나노초 단위의 초고속 연산과 집적화 가능성을 보이며, 캣 큐비트 구조를 통해 비트 오류를 억제하고 반복 부호로 위상 오류를 교정하는 이중 구조를 갖추고 있습니다. 이에 비해 IonQ는 자연 원자 이온을 큐비트로 활용하여 장시간의 코히런스와 낮은 오류율을 실현하고 있으며, 실온에서 작동하고 복잡한 냉각 인프라가 필요 없다는 장점을 가집니다. 다만 IonQ는 게이트 속도가 상대적으로 느리고, 이온 체인의 확장성에 물리적 제약이 존재하여 모듈형 네트워크 구조로의 전환이 요구되고 있습니다.

상용화 측면에서도 차이가 뚜렷합니다. IonQ는 이미 상용 서비스를 제공 중이며, 알고리즘적 큐비트 #AQ 64를 2025년까지 구현하겠다는 로드맵을 바탕으로 양자 우위를 확보하려 하고 있습니다. 반면 AWS는 Ocelot 칩이 아직 실험적 단계에 있으며, 수백 개의 논리 큐비트가 확보되어야 상용화가 가능하다고 보고 있습니다. AWS는 자체 클라우드 플랫폼을 활용해 준비가 완료되는 시점에 빠르게 상용화할 수 있다는 점에서 장기적 전략을 취하고 있습니다.

비용 효율성 면에서 AWS Ocelot은 오류 정정 효율을 통해 단위 연산당 자원 소요를 획기적으로 줄이는 데 중점을 두고 있으며, 향후 칩 단위의 반복 생산을 통해 확장 시 비용 절감이 가능할 것으로 보입니다. IonQ는 오류 정정을 적용하지 않기 때문에 현재 상태에서는 물리 큐비트 수 대비 높은 성능을 실현하고 있으나, 추후 오류 정정이 도입될 경우 복잡한 광학 제어와 시스템 확장 비용이 급증할 가능성이 있습니다. 다만 IonQ 시스템은 극저온 냉각이 필요 없어 운영 비용 면에서 유리하며, 클라우드 기반 수익 모델을 통해 상업적 안정성을 확보하고 있습니다.

두 기업은 양자컴퓨팅 산업에 각기 다른 방식으로 기여하고 있습니다. IonQ는 상장된 유일한 순수 양자기업으로서, 대학 연구의 상용화 가능성을 입증하였으며, 다양한 산업에 양자 기술을 접목하는 데 선도적 역할을 하고 있습니다. AWS는 자체 칩 개발을 통해 오류 정정 중심의 양자컴퓨팅 시대를 준비하고 있으며, 대형 클라우드 플랫폼 기업으로서 향후 시장에 미치는 파급력이 클 것으로 예상됩니다. 두 회사의 기술은 서로 보완적인 방향으로 발전 중이며, 이들의 동시대적 성장은 양자컴퓨팅의 상용화를 앞당기고 산업 생태계를 풍성하게 하는 데 크게 기여하고 있습니다.