[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. '평당 1900만 원대' 세종 스마트시티 2100세대 분양 초읽기
  2. 정부·민주당, 행정수도특별법·행복도시특별법 최우선 처리 약속
  3. 충청권 광역철도 1단계 총사업비 5716억원 확정… 사업 추진 속도 내나
  4. 대전 구도동 수소생산시설 최적지 제시…개발제한구역 규제 '걸림돌'
  5. 세종 행정수도 '11월' 중대 기로… 법안 심사에 예산 확보전까지
  1. 오석진 교육감 국제중·고 설립 내년 기반마련…원도심 교육격차 해소할까
  2. 천문연, ‘우주 팽창 논쟁’ 암흑물질로 새로운 접근 나선다
  3. 대전 서구, 갈마문화공원에 1.6㎞ 무장애 둘레길 조성
  4. 대청호보전운동본부 25주년 기념... 앞으로 25년 논의
  5. 천안·아산지역상생발전위원회, 아산탕정2집단에너지사업 조속 추진 촉구

헤드라인 뉴스


머크, 대전 추가투자 가능성 시사… 지역경제 동반성장은 과제로

머크, 대전 추가투자 가능성 시사… 지역경제 동반성장은 과제로

머크(Merck)가 대전 생산센터 준공을 계기로 추가 투자 가능성을 내비치면서 대전 바이오산업의 확장 여부에 관심이 쏠리고 있다. 특히 KAIST와 공동 연구개발 프로젝트를 다수 진행하고 있는 가운데 향후 연구시설 확충 가능성까지 거론되면서 대전이 머크의 아시아·태평양 생산거점을 넘어 연구개발 중심지로 성장할 수 있을지 주목된다. 29일 열린 머크 대전 생산센터 준공식에서 머크 독일 본사와 독일 정부 관계자들은 대전시의 적극적인 지원으로 대규모 생산시설 건립이 예상보다 빠르게 진행됐다는 점을 높이 평가했다. 외국인투자지역 입주에 따..

국비확보에 `온통대전` 캐시백 더 준다… 최대 18%, 11월 15일까지 한시적 적용
국비확보에 '온통대전' 캐시백 더 준다… 최대 18%, 11월 15일까지 한시적 적용

대전시가 정부의 추가 국비 지원을 확보하면서 지역화폐 온통대전의 캐시백 혜택이 한시적으로 최대 18%까지 확대된다. 29일 대전시에 따르면 행정안전부로부터 추가 교부받은 국비 7억 9500만 원과 기존 확보한 국비를 활용해 이날부터 11월 15일까지 온통대전 캐시백 비율을 일반 시민 15%, 복지대상자 최대 18%로 상향한다. 이번 조치는 전국적인 소비 활성화 행사인 '2026 코리아 그랜드 페스티벌'과 연계해 추진하는 것으로 고물가와 소비 부진으로 위축된 지역 소비를 촉진하고 소상공인의 매출 회복을 지원하기 위해 마련됐다. 이에..

[기획-③] 두 번의 주민투표에도 끝나지 않은 오사카의 선택
[기획-③] 두 번의 주민투표에도 끝나지 않은 오사카의 선택

수도권 일극 체제와 지방소멸 위기에 대응할 해법으로 추진된 충남·대전 행정통합이 첫 출범 목표를 이루지 못한 채 다시 출발선에 섰다. 하나의 경제·생활권을 구축하고 지역 경쟁력을 높이겠다는 구상이었지만, 주민 동의와 재정·권한 이양 등 해결해야 할 과제도 분명해졌다. 행정구역을 하나로 묶는 것만으로 통합의 성공이 보장되는 것은 아니다. 앞서 행정통합을 경험한 일본과 대만 역시 행정 효율화와 재정 기반 강화라는 기대 속에 주민 갈등과 재정 부담, 지역 간 불균형이라는 숙제를 마주했다. 본보는 일본의 헤이세이 대합병과 오사카 행정체제..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • ‘더 화려하고 아름답게’ ‘더 화려하고 아름답게’

  • ‘포기마다 정성 담아’…맛있는 이웃사랑 ‘포기마다 정성 담아’…맛있는 이웃사랑

  • 미래 진로직업 체험 미래 진로직업 체험

  • 올가을 들어 가장 추운 날씨 올가을 들어 가장 추운 날씨