[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. "연기·연동면·해밀·산울동 적임자"… 찐 마을 사람 '김순주'가 뛴다
  2. 예산 ‘돌봄 방학’ 해소 모델 최우수… 논산·진천도 우수
  3. 세종시 집현동의 잃어버린 5년, '정영원'이 되살린다
  4. '교류의 문' 연 대전여성기업인협회 "서로 돕는 협회 만들어가자"
  5. 국힘 세종시당, '노무현 공원'서 자전거 타고 행정수도 완성 약속
  1. 5월 넷째 주 대전·충남 청약 흥행 단지 계약 '눈길'
  2. 천안법원, 고속도로 통행료 납부하지 않은 운전자 징역형
  3. 정부 고유가 피해지원금 신청률 세종·대전 신청률 높아
  4. 천안시농업기술센터, 텃밭교육 모종 지역사회와 함께 나눠
  5. 천안시영상미디어센터, 6월 6일 '야외상영회' 운영

헤드라인 뉴스


고즈넉한 사찰 답사부터 도심 야경까지… 석가탄신일 맞이 식장산 나들이

고즈넉한 사찰 답사부터 도심 야경까지… 석가탄신일 맞이 식장산 나들이

대전의 동쪽을 든든하게 받치고 있는 식장산 서쪽 기슭, 도심의 소음이 거짓말처럼 잦아드는 곳에 천년 고찰 고산사(高山寺)가 자리하고 있다. 신라 정강왕 1년(886년) 도선국사가 창건한 것으로 전해지는 고산사는 오랜 세월 지역의 영욕을 함께해 온 대전의 대표적인 천년 고찰이다. 고산사의 중심인 대웅전(대전시 유형문화재)은 조선 후기의 소박하면서도 균형 잡힌 건축 양식을 고스란히 간직하고 있다. 단아한 법당 내부로 들어서면 섬세한 필선이 돋보이는 아미타불화와 자애로운 미소의 목조석가여래좌상이 참배객을 맞이한다. 화려한 대형 사찰처럼..

공식선거운동 첫 주말 여야 지도부 충청 공략 "정부지원" vs "정권심판"
공식선거운동 첫 주말 여야 지도부 충청 공략 "정부지원" vs "정권심판"

6·3 지방선거 최대 격전지 금강벨트에서 승기를 잡으려는 여야 지도부의 총력전이 더욱 뜨거워 지고 있다. 공식선거운동 돌입 후 첫 주말 양당 대표가 충청권을 찾아 각각 정부 지원론과 정권 심판론 프레임을 들고 지역 표심을 파고들었다. 국민의힘 송언석 원내대표는 24일 대전 대덕구 신탄진시장을 찾아 이장우 대전시장 후보와 최충규 대덕구청장 후보를 지원 사격에 나섰다. 송 원내대표는 이 자리에서 "이번 지방선거는 성공한 지방정부를 이어갈지, 다시 무능과 혼란으로 돌아갈지를 결정하는 선거"라며 "국민의힘 후보들에게 힘을 모아달라"고 호소..

천안법원, 술에 취해 장례식 방해한 혐의 `벌금 100만원`
천안법원, 술에 취해 장례식 방해한 혐의 '벌금 100만원'

대전지법 천안지원 형사4단독은 술에 취해 장례식장에서 소란을 피워 장례식방해 혐의로 기소된 A씨에게 벌금 100만원을 선고했다. 24일 법조계에 따르면 A씨는 2025년 5월 9일 장례식이 진행 중인 천안시 서북구 모 장례식장에서 술에 취해 빈소에서 의자를 바닥에 집어 던지며 30여분간 욕설과 소리를 지르고 다른 조문객을 밀쳐 장례식을 방해한 혐의로 재판에 넘겨졌다. 이영곤 부장판사는 "피고인은 업무방해 등으로 수차례 형사처벌을 받은 전력이 있고, 특히 이 사건 범행 당시에는 누범기간 중이었음에도 또다시 술에 취해 장례식장에서 소란..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 부처님 오신 날 분위기 고조시키는 봉축탑 부처님 오신 날 분위기 고조시키는 봉축탑

  • 13일간의 지방선거 유세전 시작…‘우리 후보 뽑아주세요’ 13일간의 지방선거 유세전 시작…‘우리 후보 뽑아주세요’

  • ‘중원을 잡아라’…여·야대표 충청 총출동 ‘중원을 잡아라’…여·야대표 충청 총출동

  • 공식 선거운동 D-1, 선거벽보 점검 공식 선거운동 D-1, 선거벽보 점검