유원IP칼럼

[칼럼]양자 기술과 특허 IP 동향(2) - 양자컴퓨팅과 특허동향

관리자
2024-02-28
조회수 1147

안녕하세요, 양자 기술의 특허 전문가, 유원IP그룹/유원국제특허법률사무소입니다.

이번 시간에는 양자 기술의 중점기술분야 중 하나인 '양자 컴퓨팅' 분야의 특허동향에 대해서 살펴보고자 합니다. 참고로 저희가 공개드리는 자료는 2023년 저희 유원IP그룹/유원국제특허법률사무소가 수행한 "국가전략기술 양자 분야 특화 IP R&D 과제 보고서"를 기초로 일부 재가공 및 재작성되었습니다.


먼저, 양자 컴퓨팅에 대한 특허동향을 살펴보기에 앞서서, 양자 컴퓨팅은 어떠한 기술을 의미하는지 알아보겠습니다.


1. 양자컴퓨팅의 의미 및 세부기술

국가전략기술의 중점기술 분류에 따르면, 양자컴퓨팅은 양자역학적 특성(양자중첩, 양자얽힘 등)을 이용하여 기하급수적 성능향상이 가능한 병렬연산 관련 HW/SW 기술을 의미합니다. 구체적으로, 양자컴퓨팅은 큐비트(Qubit)라는 정보 단위를 이용하고, 큐비트의 양자역학적 특성을 기반으로 확률·가역적 연산 방법을 통해, 대용량 정보를 동시에 병렬적으로 처리할 수 있는 컴퓨팅 기술을 의미합니다. 

이러한 양자컴퓨팅은 다시 세부기술분야로 아래와 같이 분류될 수 있습니다. 각각의 세부기술명 옆에 두자리의 영문자는 추후 특허분석에서 기술분류를 간단하게 표기하기 위한 분류체계이므로, 아래의 데이터들에서 참고해주시기 바랍니다.


중점기술세부기술세부기술 설명
양자컴퓨팅큐비트 구현(AA)

- 양자 상태의 정보를 저장·처리하는 데 사용되는 양자컴퓨팅의 기본 단위인 큐비트(Qubit)를 구현하는 기술

- 양자 컴퓨팅을 위하여 큐비트를 구현하는 것이 필수적이고, IBM, 구글, IonQ 등 각 출원인들이 각자 방식으로 큐비트 재현 및 성능 테스트

- (방식) 초전도 방식, 이온트랩 방식, 반도체양자점 방식, 위상 기반, 광자 기반, 다이아몬드 NV(Nitrogen Vacancy) 센터 기반, 리드버그(Rydberg) 기반

큐비트 제어 HW(AB)

- 큐비트의 상태를 조작하거나 측정하는데 사용되는 HW 기술

- 프로그램 실행을 위해, 구현된 큐비트를 조작할 수 있어야 하고, 이러한 큐비트 조작은 고전적인 하드웨어를 이용하고 있음

- (장비) 마이크로파 펄스 생성기,  큐비트 상태 측정을 위한 신호 증폭기, 냉각 시스템

양자 SW 스택(AC)

- 양자 HW를 관리하고 여기서 실행되는 알고리즘 및 프로그램을 작성, 실행, 최적화하기 위한 SW 기술

- 양자컴퓨팅 활용을 위해 양자 컴퓨터와 고전 컴퓨터 프레임워크 사이를 통합하여 프로그램을 제어할 수 있는 소프트웨어 스택이 필요

- (세부 기술) 양자 프로그래밍 언어, 양자 논리 게이트 연산 및 제어 기술, 양자 컴파일러, 양자 운영체제, 고전 양자 시뮬레이션, 검증 및 디버깅

확장가능한 복합 양자 HW(AD)

- 큐비트 구현, 큐비트 제어, 소프트웨어 스택을 통합하여 대규모 양자컴퓨팅 시스템을 구현하기 위한 HW 기술

- 대규모 양자컴퓨팅 시스템에는 큐비트를 제어하기 위한 하드웨어뿐만 아니라, 큐비트를 배치 및 연결하거나 에러를 교정하는 등, 프로그램이 의도한 대로 실행되도록 하는 다양한 하드웨어가 포함됨

- 또한, 양자 컴퓨터에 사용되는 큐비트가 계속해서 증가함에 따라, 기존 기술을 대규모 양자컴퓨팅 시스템으로 확장할 수 있는 하드웨어 기술이 개발되고 있음

- (구체적 기술) 양자 컴퓨터 아키텍처(큐비트를 배치 또는 연결하기 위한 하드웨어 등), 결함허용 컴퓨팅(양자 오류 보정(Quantum Error Correction), 오류 완화(Error mitigating) 등)


이와 같이, 양자 컴퓨팅 기술분야의 특허들을 모두 포함하여 검색하고 분석하기 위해서는 어떠한 키워드들을 포함해서 검색해야 할까요?


2. 양자컴퓨팅 특허 검색

저희 유원IP그룹/유원국제특허법률사무소는 다년간 IP R&D를 수행하면서 특허 raw data를 추출하기 위한 방법론으로, 다양한 키워드를 활용해왔습니다. 양자컴퓨팅과 관련된 특허를 검색하기 위해서 저희 유원IP그룹/유원국제특허법률사무소는 양자컴퓨팅 기술을 스터디하여, 기술적 키워드, IPC 분류 등을 추출하였고, 이를 기반으로 양자컴퓨팅 관련 특허를 검색하였습니다. 특히, 저희 유원IP그룹/유원국제특허법률사무소는 상술한 세부기술분야별로 기술적 키워드 및 IPC 분류 키워드들을 조금씩 변경하여 특허 raw data 및 유효 데이터를 추출하였습니다. 


1) 기술적 키워드

일단 기술적 키워드로는 '양자', '컴퓨터, 컴퓨팅', '큐비트'가 반드시 포함되어야 할 것입니다. 특허 검색을 위해서는 이러한 기술적 키워드의 유사어, 유의어를 모두 포함하고 영문으로도 검색될 수 있도록 영어 키워드들도 추가해줍니다.

실제로 저희가 검색을 해봤을 때에는 '양자, quantum'을 포함하는 디스플레이 기술들이 많이 포함되어 있어서, '디스플레이' 키워드를 제외한 검색결과를 확보하였습니다. 


2) IPC 분류 키워드

기본적인 기술적 키워드인 '양자', '컴퓨터, 컴퓨팅', '큐비트'를 기초로 IPC분류 또는 CPC분류를 검색하면 다음과 같이 양자컴퓨팅과 관련된 IPC/CPC분류가 검색됩니다. 


이를 기초로 4가지 세부기술에 대한 IPC/CPC분류를 정리하면 다음과 같습니다. 

세부기술분야IPC분류CPC분류
큐비트 구현(AA)G06N-010G06N-0010
큐비트 제어 HW(AB)H, G06N-010 B82Y-010 G16C-010H, G06N-0010 B82Y-0010 G16C-0010
양자 SW 스택(AC)G01 G05 G06G01 G05 G06
확장가능한 복합 양자 HW(AD)
G06N-010G06N-0010


3) 기간 설정

최근 특허 및 연구개발 방향에 맞는 분석을 제공하기 위해, 특허의 검색 및 분석 대상을 2010년부터 2023년 6월까지로 설정하였습니다.


4) 국가 설정

대부분의 특허는 IP5(한국, 미국, 중국, 일본, 유럽)에서 많이 출원되고 등록되고 있으므로, IP5 국가들을 중심으로 독일(DE), 대만(TW), 프랑스(FR), 러시아(RU), 영국(GB), 캐나다(CA), 오스트레일리아(AU), 이탈리아(IT), 인도(IN)의 특허 검색을 수행하였습니다. 그러나, 대체로 중국 특허들은 무분별한 출원으로 기술적 의미가 적거나 노이즈인 경우가 많으므로, 국가전략기술 양자 분야 특화 IP R&D를 수행할 때 중국 특허는 타 국가로 진입한 특허들만이 분석할 의미가 있는 것으로 판단하였습니다. 이에, 양자 컴퓨팅 관련 중국 특허는 타 국가로 진입한 특허들만을 유효특허로 한정하여 분석을 수행하였습니다.


이렇게 양자 컴퓨팅과 관련된 특허들을 검색한 결과는 다음과 같습니다. 


3. 양자컴퓨팅 유효특허 분석


세부기술분야특허 Raw data 수(건)유효특허 수(건)
큐비트 구현(AA)6,3561,318
큐비트 제어 HW(AB)1,9941,266
양자 SW 스택(AC)6,3153,734
확장가능한 복합 양자 HW(AD)
1,9581,284


위의 양자 컴퓨팅 관련 특허의 raw data는 노이즈가 포함되어 있을 수 있으므로, IPC/CPC분류를 참조하여 1차적으로 유효특허를 선별하였고, 이후 특허가 중요 기술 키워드를 포함하였는지를 기준으로 2차 유효특허를 선별하였습니다. 최종적으로, 시장 및 산업 현황을 통해 확보된 경쟁사/선도사가 주요 출원인이나 권리자로 보유하고 있는 특허가 포함되어 있는지를 검증하여 최종 유효특허를 확정하였습니다.


1) 큐비트 구현(AA) 기술분야의 유효특허 통계


2) 큐비트 제어 HW(AB) 기술분야의 유효특허 통계 


3) 양자 SW 스택(AC) 기술분야의 유효특허 통계 


4) 확장가능한 복합 양자 HW(AD) 기술분야의 유효특허 통계 


5) 전체 국가별 출원건수 및 비율

전체적으로 양자컴퓨터 관련 특허 출원 건수는 미국이 39.4%이고 중국은 30%를 차지하고 있으며, 한국의 양자컴퓨팅 관련 특허 출원 건수는 166건정도로 3.1%만을 차지하고 있어 IP5중에서는 최하위입니다. 건수 자체도 다른 선진국에 비해 10배 이상 차이가 나고 있으므로, 양자 컴퓨팅 관련 기술에 대해서는 후발주자이므로, 글로벌 선도기업과의 협업을 통해 기술격차를 줄여나가는데 집중해야 할 것으로 생각됩니다.


6) 유효특허 통계

양자컴퓨팅 기술분야 전체에 걸쳐서는, IBM, 구글이 앞도적으로 많은 특허를 보유하고 있고, 한국에도 특허를 출원하고 있는 것으로 나타났습니다. 또한, 오리진 퀀텀은 중국 업체이고, 디웨이브 시스템은 캐나다 업체입니다. 이와 같이, 양자컴퓨팅 분야의 10대 플레이어들 중 7개 기업이 미국기업이고, 2개가 중국기업, 그리고 1개가 캐나다 기업입니다. 


7) 시사점

양자컴퓨팅 분야의 10대 플레이어 중에서는 이온트랩 큐비트를 구현하는 아이온큐를 제외하면, 나머지 업체들은 모두 초전도 방식의 큐비트를 이용한 양자 프로세서를 사용하고 있습니다. 아직은 양자컴퓨터 및 양자 프로세서의 표준이 정해진바는 없지만, 이미 글로벌 기업들이 초전도체 방식을 상당히 많이 연구하였고 관련 특허들도 압도적으로 많기 때문에 초전도체를 이용한 큐비트 구현방식이 표준으로 채택될 가능성이 높은 상황이긴 합니다.

그러나, 이온트랩 방식의 큐비트 프로세서 구현 기술은 아이온큐 외에 특별한 글로벌 선도기업이 거의 없고, 국내의 레이저 기술을 활용하여 R&D를 지속할 수 있으며, 국내 상위 10대 플레이어 중 많은 출연연이나 대학교에서 이온트랩 방식에 대한 연구 및 개발에 주력하고 있습니다. 또한, 아이온큐는 김정상 교수님이 공동창업자로 최근까지 CTO로 계셨고, 과기정통부, 서울대와 MOU를 체결하였습니다. 

앞서 살펴본 바와 같이, 초전도 방식의 큐비트 양자 프로세서는 선도기업과의 기술격차가 매우 크고 특허도 이미 많이 확보되어 있어 이를 따라잡기에는 무리가 있는 반면, 이온트랩 방식의 큐비트 구현 기술은 레이저를 활용한 기술로 안정성이 높다는 평가를 받고 있으며 국내의 R&D 동향 및 환경을 활용하여 단시간 내에 기술력을 상승시키는데 효과적일 것으로 판단됩니다.

이에, 저희 유원IP그룹/유원국제특허법률사무소가 양자컴퓨팅(컴퓨터)과 관련하여 조사한 특허, 시장, 산업 동향 등을 기초로 판단할 때, 국내에서는 이온트랩 기술을 기반으로 한 큐비트 구현 기술을 중심으로 R&D 방향성을 수립하는 것이 효율/효과적일 것으로 생각됩니다.


다음 시간에는 '양자' 기술 중 '양자통신'분야의 특허동향을 분석하고 살펴보도록 하겠습니다.

많은 관심 부탁드리며, 저희 유원IP그룹/유원국제특허법률사무소는 양자 기술 이외에도 반도체, 디스플레이, 인공지능 등 다른 12대 국가전략기술의 특허 대한 풍부한 경험을 보유하고 있으므로, 궁금하신 내용이 있으시면 언제든지 연락(mail@ipuone.com)주시기 바랍니다.


감사합니다.





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