[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. 장성군, 힐링 맞춤형 여행 명소 '각광'
  2. 홈플 세종점, 정상화 수순 밟나… 운영 재개 '숨고르기'
  3. [박현경골프아카데미]골프와 술, 과연 득일까? 실일까?
  4. 민주당 세종시 '총선 후보' 경쟁… 새로운 막 올린다
  5. 김종민, 민주 복당 임박? "전대 이후 지도부·당원과 논의"
  1. 대전·충북 아파트 매매가 상승세 유지, 세종·충남은 하락
  2. 노사발전재단 충청중장년내일센터 대전보건대서 '전직스쿨' 운영
  3. 국제유가 등급에 7000선 아래로 밀린 코스피
  4. [인사]대전MBC
  5. 생명종합사회복지관, 우리동네축제, ‘함께 떠나는 우리의 여름’

헤드라인 뉴스


체납자 은닉재산 끝까지 추적… 국세·관세청 첫 합동 수색

체납자 은닉재산 끝까지 추적… 국세·관세청 첫 합동 수색

국세청(청장 임광현)과 관세청(청장 이종욱)이 고액·악성 체납자를 대상으로 사상 첫 합동 수색을 단행했다. 양 기관은 체납자의 재산 은닉 혐의를 포착해 현장 수색을 실시하고 총 13억 원 상당의 은닉재산을 압류했다. 이번 수색은 정부의 범정부 협업 기조에 맞춰 양 기관의 추적 역량과 정보를 연계하고자 추진됐다. 수색 대상은 국세와 관세를 동시에 체납하고도 호화생활을 누린 고액 체납자 16명이다. 이와 관련, 강종훈 징세법무국장은 지난 23일 오전 나성동 국세청 기자실에서 상세한 내용을 설명했다. 양 기관은 국세청의 실거주지 분석 자..

[제2회 대한민국 중소기업박람회] 전국 우수 중소기업 한자리에
[제2회 대한민국 중소기업박람회] 전국 우수 중소기업 한자리에

전국 우수한 중소기업들의 제품을 알리고 판로를 개척하기 위한 '제2회 대한민국 중소기업 박람회'가 성황리에 마쳤다. 중도일보와 매일경제, 대한민국지방신문협의회가 공동 주최한 이번 박람회는 지난 22~24일 서울 강남구 세텍(SETEC) 전시관에서 '힘내라! 대한민국 중소기업!'을 슬로건으로 열렸다. 지역 중소기업의 제품과 기술력을 알리는 데 그치지 않고 국내외 판로 확대와 투자 유치, 기업 간 협력으로 연결되는 비즈니스 기회를 제공하는 자리였다. 박람회장은 광역·기초자치단체 중소기업 홍보관과 중소기업 B2B 비즈니스관, 중소기업 유..

"행정수도특별법 연내 제정" 동력 확보 움직임 시동
"행정수도특별법 연내 제정" 동력 확보 움직임 시동

세종시를 행정수도로 규정하는 특별법 제정을 위해 지역사회의 동력 확보 움직임이 본격화하고 있다. 지역 정치권 역시 이번 가을 국회가 '골든타임'이란 인식 하에 역량을 집중하겠다는 입장인데, 전반기 국회에서 매듭짓지 못한 특별법 제정을 완수할 수 있을지 귀추가 주목된다. 26일 국회에 따르면 세종 행정수도 완성을 골자로 발의된 특별법은 총 5건(황운하·강준현·김종민·김태년·엄태영·복기왕 등 대표 발의, 발의순)으로, 가장 처음 발의된 법안은 지난해 5월 1일 제안돼 1년 2개월 이상 계류됐다. 해당 법안들은 세종시의 법적 지위를 수도..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • ‘머드에서 놀자’…보령머드축제 개막 ‘머드에서 놀자’…보령머드축제 개막

  • 도심 속 공원에서 즐기는 물놀이 도심 속 공원에서 즐기는 물놀이

  • 개인형 이동장치 수거차량 ‘무법 질주’ 개인형 이동장치 수거차량 ‘무법 질주’

  • 대전 동부소방서, 온열질환 예방 총력 대전 동부소방서, 온열질환 예방 총력