일본산업뉴스요약

자동차의 브랜드 가치를 양자 기술로 창출
차체 설계 및 재료 분석에서 경합

도요타자동차나 혼다와 같은 대기업들이 양자 기술 활용에 본격적으로 나서고 있다. 양자 기술의 응용으로 뛰어난 연산 능력과 센싱 성능을 실현할 수 있어 자동차의 효율적인 차체 설계 및 한층 더 업그레이드된 성능 향상을 기대할 수 있다. 향후에는 자동차 제조사의 브랜드 가치 창출에 양자 기술이 필수적인 요소가 될 가능성이 있다.

필자는 지금까지 다양한 제조사들의 연구개발을 취재해오면서 양자 기술의 활용 사례를 몇 차례 닛케이 크로스테크에서 소개했다. 기초 연구에서는 이미 많은 성과가 나오고 있으며, 그 유효성이 점차 밝혀지고 있다.

특히 자동차의 경우, 제조사의 브랜드 가치와 직결되는 차체 설계에서는 유체 해석 등 고도의 계산 기술이 반드시 필요해 양자 계산이 중요한 요소로 자리잡고 있다. 수리 모델링과 수치 해석이 불가결한 설계에서 양자 계산이 그 위력을 발휘하기 때문이다.

-- 양자 계산으로 제조를 강화 --
양자 계산은 다양한 용도로 활용할 수 있다. 특히 고체역학이나 열·유체역학 등 고전 역학 문제를 다루는 경우, 시뮬레이션 및 설계 최적화에 필수인 CAE(컴퓨터 지원 엔지니어링) 계산을 양자컴퓨터를 이용해 효율적으로 처리하는 양자 CAE가 주목받고 있다. 실제로 도요타자동차와 혼다는 현재 양자 CAE 연구를 추진하고 있다.

또한 전자의 움직임 등을 해석하는 양자 역학 문제에 대해서도 양자컴퓨터를 활용하면 방대한 연산량을 효율적으로 처리할 수 있다. 예를 들어, 배터리용 신소재와 기능성 고분자의 개발·해석 등이 기대되고 있다. 닛케이모노즈쿠리 2025년 12월호에서는 제조업의 연구개발에 활용되고 있는 사례들을 특집 기사 ‘양자 기술로 제조를 혁신’에서 다루었다.

특히 차체 설계에 양자 계산을 잘 활용하고 있는 것이 마쓰다이다. 마쓰다는 복수의 차종을 아우르는 차체 구조 설계에 양자 기술을 활용해 연산 횟수를 30분의 1로 줄이는 데 성공했다.

차량의 승차감(진동 억제·조향성 등)과 충돌 안전성 중시 등으로 인해 발생하는 여러 제약 조건을 고려하면서 경량화와 부품의 공통화라는 목적을 최대한 충족한 ‘다목적 최적화 문제’를 해결했다. 마쓰다는 최적화 계산에 특화된 양자 어닐링 기술을 활용해 기존에 3만 회가 필요했던 계산 횟수를 1,000회로 줄였다.

-- 계산 기술은 브랜드와 직결 --
마쓰다에서 양자 계산 연구를 이끈 마쓰다 기술연구소의 고다이라(小平) 전자정보시스템 연구 상석 연구원 겸 R&D 전략기획본부 상석 엔지니어에 따르면, 계산 노하우는 각 기업마다 다르며 DNA처럼 전수되어 차체 설계에 크게 반영되고 있다고 한다.

고다이라 엔지니어는 “다른 회사의 기술을 모방한다고 해도 좋은 차체를 개발할 수 없다”라고 말한다. 반대로 양자 기술을 선도적으로 도입한다면 “효율적인 개발로 경쟁력을 높일 수 있어 마쓰다가 추구하는 제조를 실현할 수 있다”라고 말한다.

다양한 기업들과의 유연한 협업도 마쓰다의 강점이다. 이번 양자 계산 기술은 양자 스타트업인 Fixstars Amplify(도쿄)와 공동 개발한 것이다. 설계 최적화와 계산 비용 절감을 목표로 양자 스타트업인 호주의 Q-CTRL과도 협업하고 있다. 이 두 회사는 이미 양자 기계학습 모델을 활용해 적은 학습 데이터만으로도 차체 설계를 최적화할 수 있는 기술을 개발했다.

Q-CTRL의 바움 양자컴퓨팅 연구 책임자는 “기존의 고전적인 방법은 매우 무거운 차체의 시뮬레이션을 실시해야 했다. 우리의 기술을 사용하면 학습 데이터가 제한되어 있는 경우에도 효율적으로 모델을 구축할 수 있다”라고 자신감을 보였다.

-- 양자 센서로 결함을 감지 --
도요타자동차도 최근 양자 연구를 본격화하고 있다. 연구 조직인 도요타중앙연구소(아이치현)는 도요타 그룹 내외 조직과 협력해 제조에 양자 컴퓨터를 응용하고 있다. 이미 양자화학 계산, 설계 최적화, 양자 기계학습, 양자 시뮬레이션 등 다양한 연구 성과를 발표. 양자 CAE를 활용한 제조 강화를 목표로 하고 있다.

또한 도요다중앙연구소는 고감도 양자 센서를 활용해 전자 디바이스 내부의 고장을 감지하는 기술도 개발하고 있다. 예를 들어, 양자 센서로 아주 미세한 자기장의 변화를 탐지함으로써 탄화규소(SiC) 파워반도체 디바이스 내부에 존재하는 결함(컬러 센터)을 감지할 수 있다.

SiC는 하이브리드 시스템의 전력 변환기(PCU) 등에 사용되는 중요한 부품으로, 기존의 실리콘 베이스의 파워반도체에 비해 전력 손실을 줄일 수 있다. 또한 SiC는 그 자체가 양자 센서로서의 특성도 가지고 있기 때문에 디바이스 내부의 결함을 사전에 감지·제거함으로써 시스템 전체의 신뢰성 및 성능을 향상시킬 수 있다.

-- 혼다는 배터리 소재 분석에 응용 --
혼다는 배터리 개발에 필수인 소재 분석을 효율화하는 방법을 개발했다. 고성능 및 긴 수명의 배터리 소재 개발을 통해 차세대 전기자동차(EV) 실현 등으로 이어나간다는 전략을 가지고 있다. 기존 컴퓨터로는 한계가 있던 배터리 소재 분석을 양자컴퓨터로 고속화하는 것을 목표로 하고 있다.

혼다가 개발한 방법은 양자 상태로 저장된 배터리 재료의 X선 흡수 미세 구조(XAFS) 스펙트럼 데이터에서 특성량(강도와 형상 등의 정보)만을 추출해 일반 컴퓨터로 재구성할 수 있도록 하는 방법이다. 리튬이온 2차 전지의 전극 재료로 자주 사용되는 인산철의 XAFS 계산에 적용했다.

혼다는 양자 스타트업인 Quemix(도쿄)의 협력 아래 양자 알고리즘 개발뿐만 아니라, 논리 큐비트 수와 게이트 연산 횟수를 줄이는 방법도 고안했다. 연구에 사용된 양자컴퓨터는 양자 대기업인 미국 Quantinuum이 제공하는 이온 트랩 방식의 실제 양자컴퓨터를 이용했다.

이번 회에서는 자동차 분야에서 양자 기술을 활용한 3사의 주요 사례들을 소개했지만, 업계에는 기사로 다루지 못한 활용 사례들도 많이 있어 필자는 양자 기술의 가능성을 강하게 느끼고 있다. 앞으로는 자동차뿐만 아니라, 다양한 분야에서 브랜드 가치 향상에 양자 기술이 활약하는 시대가 올 것으로 기대하고 있다.

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