성층권 양자 데이터 센터: 차세대 클라우드

클라우드 컴퓨팅이 문자 그대로가 된다면 어떨까요? 과학자들은 배치하는 고급 컴퓨터를 성층권에 설치하여 양자 컴퓨팅의 핵심 문제 중 하나를 해결하려고 탐구하고 있습니다.

만약 배치된다면, 이 독특한 방법으로 문제를 해결하면 냉각 비용을 절감하고 ‘클라우드 컴퓨팅’에 대한 우리의 인식과 사고 방식을 완전히 바꿀 수 있습니다.

양자 데이터 센터 냉각 비용 증가

양자 컴퓨터는 양자 역학을 활용해 고전 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 복잡한 계산을 수행하는 컴퓨터 유형입니다.

고전 컴퓨터가 비트(0 또는 1)로 데이터를 저장·처리하는 것과 달리, 양자 컴퓨터는 동시에 여러 상태에 존재할 수 있는 큐비트를 사용하며, 이를 ‘중첩’이라고 부르고, 또한 큐비트들을 서로 연결시키는 ‘얽힘’ 현상도 활용합니다. 이러한 특성 덕분에 양자 컴퓨터는 여러 가능성을 동시에 탐색할 수 있습니다.

큐비트를 기본 데이터 단위로 사용함으로써 양자 컴퓨터는 고급 병렬 연산을 수행하고 저장 용량을 크게 늘릴 수 있습니다. 그러나 큐비트는 열, 진동, 전자기 간섭 등 환경 소음에 매우 민감합니다.

따라서 큐비트는 매우 섬세하여 소음으로 인한 오류를 방지하고 정상 작동을 보장하기 위해 극저온에서 유지되어야 합니다.

대부분의 양자 시스템은 실제로 몇 밀리케빈에서 10K 정도의 온도에서 작동합니다.

따라서 양자 데이터 센터(QDC)가 전통적인 컴퓨터보다 두 배 빠른 작업을 수행할 수 있는 잠재력을 가졌음에도, 에너지 집약적인 저온 냉각 시스템 사용으로 인해 10배 이상의 에너지를 소비합니다.

그 결과, QDC의 열역학적 특성을 조사하여 냉각 에너지 소비를 줄일 필요가 있습니다.

양자 칩을 위한 데이터 센터에서 사용되는 주요 냉각 기술로는 레이저 냉각, 희석 냉각, 펄스튜브 냉각이 있으며, 초전도체에서 자기칼로리 효과(자기장이 가해지면 물질이 가열되고, 제거되면 냉각되는 현상)를 이용한 기술도 주목받고 있습니다.

또 다른 기술은 희귀 저온 유체인 헬륨-3에 양자 회로를 담그는 것으로, 헬륨-3은 극저온에서 초유체가 되어 독특한 양자 특성을 나타냅니다.

하지만 큐비트를 위한 저온 환경을 구현하고 유지하는 데는 막대한 비용과 에너지가 소요되어 양자 컴퓨팅의 채택과 확장을 가로막는 주요 장벽이 되고 있습니다.

따라서 고성능 양자 컴퓨팅을 가능하게 하는 혁신적인 엔지니어링 접근법이 필요합니다.

KAUST 연구진은 성층권 고고도 플랫폼(HAP)에 양자 프로세서를 배치하는 방안을 제안했습니다. 이 프로세서는 고도 약 20km(12.4마일)에서 -50°C(약 -58°F)의 자연 냉각 환경을 활용하게 됩니다.

자연적으로 차가운 조건을 활용함으로써, 연구진은 QDC의 냉각 요구량을 크게 줄이고 지속 가능한 고성능 양자 컴퓨팅을 구현하고자 합니다.

비행선을 태양광 기반 저온 데이터 센터로 전환

사우디아라비아의 King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) 연구진이 npj Wireless Technology 저널에 발표한¹ 논문은 비행선(블림프)을 이용해 성층권에 양자 컴퓨터를 배치하는 새로운 프레임워크를 제시합니다.

이 독특한 접근법은 상공 대기에서 친환경적이며 유연하게 배치 가능한 양자 컴퓨팅을 제공해 에너지 효율성을 크게 향상시킵니다. 또한, 시스템은 전통적인 지상 데이터 센터보다 계산 성능도 우수합니다.

“구름과 날씨 시스템 위에서 운영함으로써 비행선은 예측 가능하고 방해받지 않는 태양 복사를 활용할 수 있습니다.”

– KAUST의 주도 연구자 Basem Shihada

성층권의 차가운 조건을 활용하기 위해 팀은 Quantum Computing-Enabled High Altitude Platforms (QC-HAPs)를 제안합니다. 이 성층권 비행선은 양자 장치를 저온 크라이오스탯에 넣어 필요한 저온을 유지합니다.

예, 크라이오스탯은 여전히 양자 상태를 유지하는 데 필요하지만, 고고도에서는 자연적인 저온 덕분에 냉각 에너지 소비가 크게 감소합니다.
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또한 비행선에는 태양 전지를 장착해 햇빛을 전기로 변환하고, 리튬‑황 배터리를 탑재해 야간 및 악천후 시에도 원활한 운영을 보장합니다.

논문에 따르면, 태양에서 방출되는 고에너지 입자인 우주선은 성층권 양자 컴퓨팅 시스템의 신뢰성에 거의 영향을 미치지 않아 플랫폼의 성층권 활용 가능성을 확인했습니다.

QC-HAP는 하늘에 배치되어 지상 양자 데이터 센터와 연결됩니다.

이를 위해 HAP는 광파 형태로 인코딩된 정보를 자유공간 광(FSO) 통신을 통해 전송합니다. 흐린 날씨에는 라디오 주파수 링크가 백업 역할을 합니다.

대기 중 신호 감쇠와 디코히런스를 방지하기 위해 팀은 저고도 풍선 플랫폼을 중계 스테이션으로 활용할 것을 제안했습니다.

QC-HAP의 가장 큰 장점은 필요에 따라 이동이 가능하다는 점이며, 이는 수요가 집중된 지역이나 원격 지역 모두에 배치할 수 있어 양자 컴퓨팅 커버리지를 확대하고 계산 병목을 완화하며 지연 시간을 감소시킵니다.

또한 여러 비행선을 연결해 전 세계에 온디맨드·확장 가능한 양자 연산 서비스를 제공하는 “동적 함대”를 구성할 수 있다고 연구 공동 저자인 튜니지 카르타고 대학의 Wiem Abderrahim이 말했습니다.

이러한 확장 가능한 다중 HAP 별자리 구조는 개별 에너지 제한을 극복하고 계산 이점을 강화할 수 있습니다.

연구진의 계산에 따르면, 태양광 기반 솔루션은 지상 양자 컴퓨팅 센터에 비해 냉각 요구량을 21% 감소시킬 수 있습니다.

연구팀은 두 가지 주요 양자 컴퓨팅 형태(이온 트랩 기반과 초전도 회로 기반)를 대상으로 성숙도, 안정성, 확장성, 코히런스 시간을 평가했습니다. 냉각 요구량 감소는 큐비트 아키텍처마다 다르며, 각 유형은 서로 다른 저온 범위에서 작동합니다.

한 접근법은 약 4K(≈ ‑269°C)로 냉각된 트랩 이온 기반 큐비트를 사용하며, 이 방식이 QC-HAP 개념으로 가장 큰 이점을 얻었습니다. 다른 방식은 10~20 mK 사이에서 동작하는 초전도 회로를 사용합니다.

분석 결과, 양자 지원 HAP는 지상 QDC에 비해 30% 더 많은 큐비트를 지원하면서 특히 고급 하드웨어를 활용할 때 오류율이 낮아진다고 밝혔습니다.

큐비트 외에도, 성층권 양자 시스템이 달성한 에너지 절감은 데이터 센터 아키텍처에 따라 달라진다고 연구는 언급했습니다.

이 미래지향적 개념은 아직 실용화까지는 멀리 떨어져 있으며, 특히 전송 중 오류를 식별·수정할 수 있는 견고한 시스템 등 양자 하드웨어의 큰 진보가 필요합니다.

또한 성층권 환경 고유의 특성(계절별 태양 복사량 변동, 날씨 조건 등)도 태양 에너지 수확량과 플랫폼 에너지 효율에 영향을 미치므로 신중히 고려해야 합니다.

향후 연구는 환경 요인이 양자 시스템에 미치는 영향을 분석하고, QC-HAP의 실세계 적용을 위한 견고한 설계 개발에 초점을 맞춰야 합니다. 

“다음 단계는 개념·분석 단계에서 구현 중심 연구로 전환하는 것입니다.”

– 연구 공동 저자 Osama Amin

앞으로 연구진은 공중 양자 솔루션이 기존 지상 데이터 센터를 대체하기보다는 하이브리드 클라우드 컴퓨팅 프레임워크 내에서 공존할 것으로 기대합니다.

양자 컴퓨터를 현실로 만들기 위한 글로벌 경쟁

연구진이 하늘 기반 양자 플랫폼을 탐구하는 동시에, 주요 산업 플레이어들은 이러한 플랫폼이 궁극적으로 지원할 하드웨어 개발을 가속화하고 있습니다.

IBM (IBM ), 예를 들어, 대규모 결함 허용 양자 컴퓨터인 Starling을 이번 십년 안에 제공하려는 목표를 가지고 있습니다.

최근 IBM은 새로운 양자 처리 장치(QPU)를 개발했으며, 이는 양자 어드밴티지를 달성하고 완전 결함 허용 양자 컴퓨터를 구현하는 데 기여할 것으로 기대됩니다.

120 큐비트를 탑재한 IBM Quantum Nighthawk은 기존 QPU(R2 Heron)보다 30% 더 복잡한 양자 계산을 처리할 수 있는 최초의 프로세서이며, 각 큐비트는 조정 가능한 커플러 덕분에 가장 가까운 네 개의 이웃과 연결됩니다. 이 프레임워크는 5,000개의 2‑큐비트 게이트가 필요한 문제를 탐색할 수 있게 하며, IBM은 2027년 말까지 Nighthawk의 향후 버전이 10,000 게이트까지 제공할 수 있기를 기대합니다.

IBM Loon은 112 큐비트를 보유한 또 다른 소형 프로세서로, 완전 결함 허용을 위한 모든 하드웨어 요소를 갖추고 있어 큐비트 고장률 문제를 해결합니다. 이는 차세대 Kookaburra 프로세서(모듈식 설계 최초 QPU) 개발에 앞서 팀이 학습할 수 있게 해 주며, Kookaburra는 내년에 출시될 예정입니다.

또한 IBM은 300mm(12인치) 웨이퍼 기반 새로운 양자 프로세서 제조 방식을 도입해 각 칩 생산 시간을 절반으로 줄이고 물리적 복잡성을 10배 증가시켰다고 밝혔습니다.

하드웨어가 가속화되는 동안, 주류 양자 컴퓨팅의 상용화 시점은 업계 리더마다 크게 다릅니다.

인텔 전 CEO Pat Gelsinger는 양자 컴퓨터가 약 2년 안에 주류가 될 것이며 GPU 시대를 종식시킬 것이라고 전망했습니다. 반면 GPU 시장을 주도하는 Nvidia는 양자 컴퓨팅이 주류가 되려면 20년이 걸릴 것이라고 말했습니다.

“우리는 가장 흥미진진한 1~2년을 맞이하고 있다”고 Gelsinger는 FT와의 인터뷰에서 말했습니다. 그는 양자 컴퓨팅을 고전 컴퓨팅과 AI 컴퓨팅과 함께 “컴퓨팅 세계의 성스러운 삼위일체”라고 부했습니다.

Gelsinger가 “양자 돌파구”가 AI 버블을 터뜨릴 것이라 믿는 반면, 구글의 Sundar Pichai는 이를 차세대 AI 붐 자체로 보고 있습니다.

시가총액 3.86조 달러에 달하는 세계 3위 기업의 CEO는 최근 인터뷰에서 양자 컴퓨팅이 AI가 5년 전이었을 때와 같은 돌파구 순간에 가까워지고 있다고 말했습니다.

“양자는 현재 AI가 5년 전이었을 때와 같은 단계에 있습니다. 그래서 앞으로 5년 안에 양자 분야는 매우 흥미로운 단계에 접어들 것이라고 생각합니다.”

– Sundar Pichai

구글은 이 변화를 위해 적극적으로 포지셔닝하고 있습니다. Pichai는 다음과 같이 말했습니다.

“우리는 세계 최고의 양자 컴퓨팅 연구를 진행하고 있습니다… 양자 시스템을 구축하면 자연을 더 잘 시뮬레이션하고 이해하며 사회에 많은 혜택을 제공할 수 있을 것입니다.”

지난 달 구글 퀀텀 AI 연구원들은 표면 코드²를 세 가지 동적 회로로 구현했다고 보고했습니다. 이는 잘 알려진 양자 오류 정정(QEC) 기술의 실제 적용 가능성을 열어주며, 보다 신뢰성 높은 양자 컴퓨터 개발에도 기여할 수 있습니다.

QEC는 양자 컴퓨터를 신뢰성 있게 작동하도록 만드는 핵심 기술이며, 결함 검출·수정 회로가 복잡하고 매우 정밀한 동작을 요구하기 때문에 구현이 큰 도전 과제라고 공동 저자인 Matt McEwen이 말했습니다.

표면 코드는 큐비트를 2D 격자에 배치하고 지속적으로 결함을 검사하는 방식으로 작동합니다.

이전에 McEwen은 세 가지 서로 다른 동적 표면 코드 구현(헥스, iSWAP, 워킹 회로)의 실현 가능성을 이론적으로 제시했습니다.

그 후 팀은 실제 환경에서 실험을 통해 이 구현들이 작동함을 증명했습니다.

테스트 결과, iSWAP 회로는 오류 억제 효과를 1.56배, 워킹 회로는 1.69배 향상시켰으며, 헥스 회로는 2.15배 향상시켰습니다.

“우리 연구의 가장 큰 교훈은 이러한 동적 회로 구현이 실제로 작동한다는 것을 확인한 것입니다.”

– Matt McEwen

큐비트 안정성에 대한 돌파구도 가속화되고 있습니다. 프린스턴 엔지니어들은 최근 큐비트 수명을 연장³하는 연구를 발표했으며, 이는 구글 퀀텀 AI의 일부 지원을 받았습니다.

엔지니어들은 1밀리초 이상 안정적인 초전도 큐비트를 제작했으며, 이는 기존 최고 버전보다 3배 긴 시간입니다.

“실제 유용한 양자 컴퓨터를 만들기 위한 가장 큰 도전은 큐비트를 만들면 정보가 오래 지속되지 않는다는 점입니다.”라고 프린스턴 공학학부 학장 Andrew Houck이 말했습니다. “이것이 다음 큰 도약입니다.”

그들의 큐비트 코히런스 향상을 확인하기 위해 연구팀은 구글 및 IBM (IBM )와 유사한 새로운 아키텍처를 사용해 작동하는 양자 칩을 제작했습니다.

사용된 트랜스몬 큐비트는 극저온에서 동작하는 초전도 회로를 기반으로 하며, 환경 소음으로부터 견고한 보호를 제공합니다. 또한 현재 제조 공정과도 호환됩니다. 그러나 이러한 큐비트의 코히런스 시간을 늘리는 일은 매우 어렵습니다.

프린스턴 팀은 탁월히 견고한 탄탈럼을 사용해 에너지 손실을 방지하고, 고품질 실리콘을 기판으로 활용해 큐비트를 재설계했습니다. 이 탄탈럼‑실리콘 칩은 대량 생산이 용이할 뿐 아니라 현재 설계보다 뛰어난 성능을 보입니다.

이 두 가지를 결합하고 제조 기술을 정교화함으로써 팀은 트랜스몬 역사상 가장 큰 개선을 달성했습니다. 가상의 1,000‑큐비트 컴퓨터는 현재 업계 최고의 설계가 프린스턴 설계로 교체될 경우, 시스템 규모가 기하급수적으로 확대되어 약 10억 배 더 효율적으로 작동할 수 있다고 Houck은 말했습니다.

Alice & Bob의 CEO인 Théau Peronnin은 Nvidia (NVDA )와 함께 결함 허용 양자 컴퓨팅 시스템을 개발하고 있으며, 양자 기술이 아직 현재 암호 시스템을 위협할 정도는 아니지만 2030년 이후 몇 년 안에 이를 해독할 수 있을 정도로 강력해질 수 있다고 최근 언급했습니다.

이는 비트코인 (BTC ) 및 기타 암호화폐뿐 아니라 모든 은행 암호화에도 위협이 됩니다. 그는 Fortune 인터뷰에서 다음과 같이 말했습니다.

“양자 컴퓨팅의 약속은 지수적 속도 향상이지만, 지수 곡선을 확대하면 평평해지고 곧 수직 벽이 됩니다. 현재는 스마트폰 수준에 불과하지만, 몇 년이면 가장 큰 슈퍼컴퓨터보다 강력해질 것입니다.”

기업들은 해결책을 모색하고 있으며, 연구자들은 양자 네트워크 범위를 확대하고 있습니다. 지난 달, 시카고 대학 프리츠커 분자공학 학교(University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering) 연구진은 양자 연결 범위를 몇 킬로미터에서 2,000km로 확대³했습니다.

“전 세계 규모의 양자 인터넷을 구축할 기술이 이제 손에 닿았습니다.”

– 조교수 Tian Zhong

그들의 연구에서 개별 에르븀 원자의 코히런스 시간을 0.1밀리초에서 10밀리초 이상으로, 경우에 따라 24밀리초까지 끌어올렸습니다.

혁신은 결정적인 양자 얽힘을 만들기 위해 필요한 결정체를 다른 방식으로 구축한 데 있습니다. 이를 위해 연구팀은 분자빔 에피택시(MBE)를 활용했으며, 이는 3D 프린팅과 유사합니다. “우리는 아무것도 없는 상태에서 시작해 원자 하나하나를 조립합니다,”라고 그는 덧붙였으며, “이 물질의 품질과 순도가 매우 높아 양자 코히런스 특성이 뛰어나게 됩니다.”

양자 기술에 투자하기

IonQ, Inc. (IONQ )는 트랩 이온 큐비트에 집중해 양자 컴퓨터를 구축·상용화하는 순수 양자 기업으로, 주요 클라우드 플랫폼을 통해 양자 하드웨어를 제공하고 있습니다. 양자 컴퓨팅을 보다 접근 가능하게 만들고, 양자 기술이 실제 사용 단계에 접어들면서 상업적 채택에 대비하고 있습니다.

IonQ의 주가 흐름은 현재 주당 $48.10이며, 지난 한 달간 21% 하락했지만 연초 대비 18% 상승, 지난 3년간 67.56% 상승했습니다. EPS(TTM)는 -5.35이며 P/E(TTM)는 -9.21입니다.

재무 면에서 보면, 2025년 3분기에 매출 $39.9백만을 기록했으며 전년 대비 222% 성장했습니다. 순손실은 $1.1억이며 GAAP EPS는 ($3.58), 조정 EPS는 ($0.17)였습니다.

IonQ는 분기 말 현금·현금성 자산·투자액이 $15억에 달했습니다.

“우리는 #AQ 64 기술 목표를 3개월 일찍 달성했으며, 이는 선도적인 상업 초전도 시스템보다 36경배 더 큰 계산 공간을 열어줍니다. 세계 기록인 99.99% 2‑큐비트 게이트 성능을 달성해 2030년까지 200만 큐비트와 80,000 논리 큐비트 목표에 한 걸음 더 다가섰습니다.”

– CEO Niccolo de Masi

이번 분기에 IonQ는 Oxford Ionics와 Vector Atomic 인수를 완료했으며, Oak Ridge National Laboratory와의 새로운 계약을 체결해 가속화된 양자‑클래식 워크플로와 고급 에너지 응용 프로그램을 개발할 예정입니다.

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최신 IonQ, Inc. (IONQ) 주식 뉴스

결론: ‘클라우드’가 양자가 될 때

양자 컴퓨팅은 실험실 호기심에서 전 세계 기술 경쟁으로 급속히 진화하고 있으며, IBM, Google, Nvidia와 같은 산업 거대 기업이 하드웨어 역량을 전례 없는 수준으로 끌어올리고 있습니다. 동시에 큐비트 코히런스, 양자 오류 정정, 장거리 얽힘 분야의 돌파구가 지속적으로 현장의 오래된 과제를 해결하고 있습니다.

이 가운데 KAUST의 제안은 자연적인 저온과 지속적인 햇빛을 활용해 ‘클라우드 컴퓨팅’이라는 개념을 실질적인 현실로 만들고 있습니다.

이러한 진전은 우리가 역사적인 전환점에 다가가고 있음을 보여줍니다. 앞으로 10년 안에 양자 컴퓨팅이 이론에서 실용성으로 전환될 가능성이 매우 높으며, 이는 암호화, 과학, 그리고 궁극적으로는 “클라우드” 자체의 의미까지도 재정의할 것입니다.

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참고 문헌

1. Abderrahim W., Amin O., & Shihada B. Green quantum computing in the sky. npj Wireless Technology 1, Article 5 (2025). https://doi.org/10.1038/s44459-025-00005-y
2. A. Eickbusch, M. McEwen, V. Sivak, A. Bourassa, J. Atalaya, J. Claes, D. Kafri, C. Gidney, C. Warren, J. Gross, A. Opremcak, N. Zobrist, K. C. Miao, G. Roberts, K. J. Satzinger, A. Bengtsson, M. Neeley, W. P. Livingston, A. Greene, R. Acharya, L. Aghababaie Beni, G. Aigeldinger, R. Alcaraz, T. I. Andersen, M. Ansmann, F. Arute, …, A. Morvan et al. Demonstration of dynamic surface codes. Nature Physics, 2025, Article published 17 2025년 10월. https://doi.org/10.1038/s41567-025-03070-w
3. Gupta, S., Huang, Y., Liu, S., Pei, Y., Gao, Q., Yang, S., Tomm, N., Warburton, R. J., & Zhong, T. (2025). Dual epitaxial telecom spin-photon interfaces with long-lived coherence. Nature Communications, 16, 9814. https://doi.org/10.1038/s41467-025-64780-6