[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. '피해자는 피눈물'...당진 학부모들, A시장 후보 아들 학폭 관련 '소명 촉구'
  2. "검은 연기 뒤덮은 서산"… 크레아 공장 대형화재, 11시간 사투 끝 진화
  3. [주말 사건 사고] 서산 공장 화재로 소방대원 2명 부상, 직원 6명 대피
  4. 대전 방문한 박근혜 전 대통령! '손가락 2번 포즈' 요청에 보인 반응은?
  5. 원자력발전소 연료 만드는 대전공장…환경방사선 안정·기술수출까지
  1. 야구인 만난 허태정 후보, 박근혜 전 대통령 만난 이장우 후보
  2. 올 여름 충청권 평년보다 무덥고 비도 많이 내린다
  3. “집 가까운 병원에서 보훈 진료를…” 위탁병원 공개모집 관심 필요
  4. "표결집", "검증확대" 제안… 교육감 선거 주도권 경쟁 격화
  5. 반환점 향하는 공식선거전…與野 중원 혈투 점입가경

헤드라인 뉴스


여야가 본 충청 판세…충남 초박빙, 충북 격전지

여야가 본 충청 판세…충남 초박빙, 충북 격전지

여야가 7일 앞으로 다가온 6·3 지방선거 최대 격전지 충청권 판세와 관련 충남지사 선거전 승패를 섣불리 장담할 수 없는 초박빙 지역으로 분류하고 있는 것으로 나타났다. 충북지사 선거전은 서로 승리를 예측하고 있으며, 대전과 세종의 경우 더불어민주당은 우세 지역으로, 국민의힘은 열세 지역으로 보고 있다. 이는 중도일보가 충청권 여야 시도당위원장 등을 직접 전화 취재하고 정치권 관계자 및 각종 여론조사 결과 등을 토대로 분석한 결과다. 이에 따르면 금강벨트 4개 시도 가운데 유권자가 가장 많은 충남지사 선거전 판세는 그야 말로 시계..

박수현 "네거티브에 흔들리지 않아", 김태흠 "충남 위한 적임자는 나"
박수현 "네거티브에 흔들리지 않아", 김태흠 "충남 위한 적임자는 나"

박수현 더불어민주당 충남도지사 후보가 기자회견, 간담회 등을 통해 네거티브에 흔들리지 않고 충남 발전 정책으로 승부하겠다는 의지를 밝혔다. 김태흠 국민의힘 충남도지사 후보는 합동 유세 등에서 도정 성과를 앞세우며 적임자임을 강조했다. 박 후보는 26일 충남도청 프레스센터에서 열린 손세희 더불어민주당 홍성군수 후보와 무소속 이두원 후보 단일화 기자회견에서 최근 네거티브에 대한 입장을 밝혔다. 박 후보는 "지금 네거티브가 극성을 부리고 있지만 이에 흔들리지 않겠다"라며 "네거티브가 중심이 아니라 충남의 미래를 놓고 경쟁하겠다"고 강조했..

4월 전국 1순위 청약 경쟁률 10개월 째 한 자릿수… 대전·충북도 하락
4월 전국 1순위 청약 경쟁률 10개월 째 한 자릿수… 대전·충북도 하락

전국 아파트 1순위 청약 경쟁률이 10개월 연속 한 자릿수를 기록한 것으로 나타났다. 26일 분양평가 전문회사 리얼하우스가 청약홈 자료를 분석한 결과 올해 4월 전국 1순위 평균 청약 경쟁률(12개월 이동평균 기준)은 6.70대 1로 집계됐다. 이는 전달(6.99대 1) 대비 0.29포인트 하락한 수치다. 지난해 같은 달 14.52대 1)과 비교하면 절반 이하 수준이다. 전국 1순위 평균 청약 경쟁률은 지난해 5월 14.80대 1로 정점을 찍은 뒤 하락세로 전환됐다. 이후 지난해 7월(9.08대 1) 한 자릿수 구간을 진입한 뒤 1..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • ‘대전발전 적임자는 나’ ‘대전발전 적임자는 나’

  • 누굴 뽑을까? 누굴 뽑을까?

  • 일주일여 앞으로 다가온 지방선거…‘꼭 투표합시다’ 일주일여 앞으로 다가온 지방선거…‘꼭 투표합시다’

  • 야구인 만난 허태정 후보, 박근혜 전 대통령 만난 이장우 후보 야구인 만난 허태정 후보, 박근혜 전 대통령 만난 이장우 후보