[사이언스칼럼] 극저온을 벗어나기 위한 노력, 양자 기술 소재 연구

  • 오피니언
  • 사이언스칼럼

[사이언스칼럼] 극저온을 벗어나기 위한 노력, 양자 기술 소재 연구

손원혁 한국원자력연구원 첨단양자소재연구실 선임연구원

  • 승인 2024-01-18 17:08
  • 신문게재 2024-01-19 18면
  • 임효인 기자임효인 기자
clip20240118093203
손원혁 한국원자력연구원 첨단양자소재연구실 선임연구원
21세기 기술의 화살은 우리 삶을 빠르게 관통해 가고 있다. 이 화살은 인공지능(AI), 전기차, 블록체인 기술을 넘어 이제 곧 양자 기술까지 관통해 지나갈 것이다. 양자 기술은 우리가 보지 못하는 아주 미시 세계의 입자들을 이용한다. 이런 입자들을 양자라고 부르는데, 원자를 이루는 전자, 양성자, 중성자 그리고 원자들의 복합체인 분자까지도 포함하는 개념이다. 양자 기술은 보안성을 매우 높일 수 있는 통신암호 분야, 측정의 정밀도와 감도를 획기적으로 높일 수 있는 센서 분야, 놀라운 계산 능력을 제공하는 컴퓨팅 분야 등에 이용될 수 있다. 양자의 세계는 머리카락 한 올 두께보다도 훨씬 작아서 우리가 일반적으로 느끼고 접하는 세계와 다르다. 작동하는 방식 역시 우리와는 전혀 다르다. 이런 양자의 세계에서 일어나는 현상을 제어하고 이용해 우리 삶을 크게 바꿀 기술, 그것이 바로 양자 정보 기술이다.

양자 정보 기술 중에서 우리가 자주 접하는 이름이 하나 있다. 바로 양자컴퓨터다. 흔히 우리가 사용하는 실리콘 반도체 기반의 컴퓨터 연산은 0과 1의 디지털 신호를 이용한다. 기본 연산 단위는 비트(bit)로 순차적으로 정보를 처리하는 방식이다. 그러나 양자컴퓨터는 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있는 '중첩' 상태를 허용한다. 양자 연산의 기본 단위인 큐비트(qubit)의 '얽힘' 상태를 이용하면 정보를 중첩시켜 동시에 연산할 수 있다. 이 때문에 양자컴퓨터는 '복잡하게 얽혀있는' 일상 속 문제를 해결하는데 엄청 빠르다고 알려져 있다. 하지만 양자컴퓨터를 실제로 구현하는 데는 큰 문제가 있다. 큐비트를 이용하는 양자 시스템은 너무 민감해서 연산을 하는 시스템의 주변 환경에 영향을 쉽게 받는다. 이로 인해 오류가 발생할 가능성이 높은데, 오류 발생의 가장 큰 원인은 바로 열이다. 그것도 아주 미세한 열.

현재 양자 연산을 위한 시스템은 대표적으로 5~6개 정도로 압축할 수 있는데, 열에 의한 문제를 해결하기 위해 가장 앞선 기술이 초전도체 기반 큐비트 시스템이다. 초전도 현상은 초전도 물질을 절대 0도 근처인 영하 270도 이하의 아주 차가운 온도로 냉각했을 때, 전자 두 개가 쌍을 이루며 움직이고 전기저항이 0이 되는 양자 현상이다. 초전도의 설명만 들어도 극저온으로 냉각하는 것이 필수 조건이란 걸 금방 알 수 있다.

하지만 극저온 상태를 유지하는 것만으로는 부족하다. 외부로부터 약간이라도 열이 침투하면 초전도 큐비트의 결맞음 상태가 깨질 가능성이 높다. 결맞음은 양자가 가지런히 정렬된 현상으로 양자컴퓨터의 연산 성능을 좌우한다. 결맞음 상태는 온도가 낮을수록 잘 유지되므로 초전도 큐비트를 안정적으로 이용하려면 초전도가 발생하는 온도보다 훨씬 낮은 온도를 유지해야 한다. 이 온도는 절대 0도인 영하 273.15도에 아주 근접한다. 때문에 고성능의 냉각기 등이 필요하고, 저전력의 소형화된 시스템을 구현하기가 매우 어려워진다.

이러한 극저온 문제를 해결하기 위해 많은 연구들이 이뤄지고 있다. 극저온 냉동기의 효율을 올린다거나, 초전도에 자기장이 침투해 발생한 플럭스 상태를 이용해 결맞음을 높인다거나 하는 등의 연구들이 수행되고 있다. 하지만 초전도에 머무르지 않고 새로운 개념과 새로운 소재를 찾아 연구하는 방법도 꾸준히 진행되고 있다. 필자가 속한 한국원자력연구원 첨단양자소재연구실에서는 최근 국제 공동연구를 통해 터븀인듐산화물이라는 물질에서 상온에서도 양자 얽힘 상태가 나타날 수 있는 가능성을 실험적으로 밝히며 네이처 피직스에 논문을 게재했다. 향후 양자컴퓨팅 및 양자 센서 소자의 설계에 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 앞으로도 양자 기술에 필요한 성능을 갖춘 새로운 소재를 연구해 양자 기술 소재 분야에 혁신을 가져올 수 있도록 계속 노력할 것이다. 손원혁 한국원자력연구원 첨단양자소재연구실 선임연구원

중도일보(www.joongdo.co.kr), 무단전재 및 수집, 재배포 금지

기자의 다른기사 보기

랭킹뉴스

  1. 국립한밭대 연구자 11명, 세계 상위 2% 과학자 선정
  2. 이번엔 대동교… 트램 공사로 15일부터 왕복 2차로 축소
  3. 대전 배추값은 낮아졌지만 속재료는 인상... 김장철 앞 부담 늘어날까
  4. 천안지역 택시 운수종사자 조합, 택시통합·행복콜 폐지 성토...'사회적 합의 우선'
  5. 청주 원도심 다시 잇는다… 공간·상권·생활에 새 활력 대혁신
  1. 대전 태평동5구역 재건축 사업 난항… 시공사 선정 문제에 조합 내부 갈등까지
  2. "부지 매입비 아끼고 주차난 푼다"…인천시, 공원 지하에 주차장 800면 조성
  3. 허태정號 기조실장 '믿을 맨' 오나 친정체제 강화
  4. 서산 석림동 아파트 화재로 주민 70여 명 대피, 재산피해 2,449만 원
  5. 멈춰 선 충남교육공무직 순환전보… 법적 판단이 분수령

헤드라인 뉴스


`국가기관 집중` 세종, 2차 공공기관 이전도 촉각

'국가기관 집중' 세종, 2차 공공기관 이전도 촉각

44개 중앙행정기관의 세종 이전이 공식화된 가운데, 4분기 중 발표를 앞둔 2차 공공기관 지방 이전의 가능성에도 이목이 집중되고 있다. 세종시는 수도권 40개 공공기관을 중점적으로 유치 활동을 벌여왔는데, 기존 혁신도시 중심의 이전 검토에서 세종에 대한 안배를 어느 정도 고려할지 여부가 관건으로 꼽힌다. 14일 국무조정실 등에 따르면 정부는 수도권 공공기관 중 지방 이전 대상을 검토 중이며 올 4분기 발표할 계획이다. 앞서 2003년 첫 공공기관 이전에 물꼬를 튼 데 이어 두 번째 이전 계획이다. 1차 기관 이전에선 총 112개 기..

대전산단 등 3곳에 734억 기업투자… 제조·연구시설 확충 추진
대전산단 등 3곳에 734억 기업투자… 제조·연구시설 확충 추진

대전의 산업단지 3곳에 734억 원 규모의 기업 투자가 추진된다. 기존 산업단지 내 생산시설을 증설하거나 신규 산업용지에 제조·연구시설을 구축하는 것으로, 100명 이상의 신규 고용도 이뤄질 전망이다. 대전시는 14일 시청 중회의실에서 ㈜액스비스, ㈜파미, 한솔제지㈜ 등 3개 기업과 총 734억 5000만 원 규모의 투자 및 신규 고용을 위한 업무협약을 체결했다. 기업별 투자 규모는 액스비스 200억 원, 파미 295억 원, 한솔제지 239억 5000만 원이다. 신규 고용계획은 각각 45명, 39명, 20명으로 모두 104명이다...

이재명 대통령 두 번째 비서실장에 홍성 출신 임광현 국세청장
이재명 대통령 두 번째 비서실장에 홍성 출신 임광현 국세청장

충남 홍성 출신인 임광현(57) 국세청장이 이재명 대통령의 두 번째 비서실장으로 임명됐다. 강훈식 비서실장은 14일 오후 청와대 춘추관 브리핑을 통해 "풍부한 행정 경험과 정무 감각을 겸비한 경제관료 출신 정치인"이라며 "국회와 정부를 두루 경험한 만큼 국민 목소리를 국정에 더 크게 반영하고 당정청 협력으로 국정 성과에 속도를 낼 적임자"라고 밝혔다. 이어 "민생 회복과 사회 개혁에 대한 대통령의 주문을 실천하며 국민이 함께 잘사는 대한민국을 만들 것으로 기대한다"고 덧붙였다. 브리핑에 동석한 임광현 신임 비서실장은 "1995년 공..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 어르신들의 신중한 한수 어르신들의 신중한 한수

  • 기온 뚝…‘겉옷 챙기세요’ 기온 뚝…‘겉옷 챙기세요’

  • 구직자들로 북적이는 대전 일자리박람회 구직자들로 북적이는 대전 일자리박람회

  • 대덕구의회 파행에 뿔난 주민과 단식 돌입한 김찬술 구청장 대덕구의회 파행에 뿔난 주민과 단식 돌입한 김찬술 구청장