[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. 청양고추구기자축제 건고추 '품질 논란'···비세척·미건조 상품 판매
  2. 유성구장애인종합복지관, 장애인 웹툰 아카데미
  3. [인터뷰]서영식 충남대 지식융합학부 교수
  4. 대덕구노인종합복지관 제2분관 북부노인복지관 '우리동네 환경지킴이' 캠페인
  5. [날씨] 충청권 낮 최고 27도… 주말에도 큰 일교차
  1. 한화, NC에 7-9 역전패…끝내 지키지 못한 리드
  2. 여성기업인들의 마음 나눔으로 이어지다
  3. [독자칼럼]계획대로 되지 않아 더 행복했던 육아
  4. 대덕구 당정, 지역현안 해결 '한뜻'…국·시비 확보 총력
  5. 조합원에 금품 제공 회덕농협 조합장, 항소심도 '당선무효형'

헤드라인 뉴스


단양 가을여행, `보고 자고` 함께 즐기면 할인 커진다

단양 가을여행, '보고 자고' 함께 즐기면 할인 커진다

가을 단풍철 단양에서 관광과 숙박을 함께 즐기는 여행객이라면 보다 저렴하게 여행을 즐길 수 있게 된다. 단양관광공사가 만천하스카이워크와 캠핑장, 자연휴양림을 연계해 한쪽 시설을 이용하면 다른 시설의 이용료를 할인해주는 가을맞이 교차 할인에 들어간다. 공사는 9월 14일부터 11월 30일까지 '2026 만천하 가을맞이 릴레이 프로젝트 Part 3-연계 윈윈(Win-Win) 할인 이벤트'를 운영한다고 밝혔다. 캠핑장은 각 시설의 폐장 전일까지 혜택이 적용된다. 이번 이벤트는 가을철 관광객들이 단양의 관광지만 둘러보고 떠나지 않고 숙박까..

세종시 장애인 유도, 전국 무대 호령… 무더기 메달 수확
세종시 장애인 유도, 전국 무대 호령… 무더기 메달 수확

세종시 장애인 유도 대표팀이 12일 금 3개, 동 1개의 메달을 무더기로 수확했다. 유도팀(감독 원재연)은 이날 제주도 유도회관에서 열린 개인전 경기에서 전국 최강팀다운 면모를 과시했다. 간판 황현은 남자 -81.0kg OPEN 경기에서 서울과 충북, 충남 선수를 차례로 꺾고 왕좌를 차지했다. 양정무는 남자 -90.0kg OPEN 종목에서 충남과 경북, 경기 선수를 제압하고 금메달을 목에 걸었다. 이에 질세라 여자 간판 이현아는 -57.0kg OPEN 경기에서 서울과 경기, 제주 선수들을 따돌리고 시상대 정상에 섰다. 남자부 김주니..

3군 본부 둥지 튼 계룡시, ‘국방 공공기관 2차 이전’ 사수 총력전
3군 본부 둥지 튼 계룡시, ‘국방 공공기관 2차 이전’ 사수 총력전

대한민국 안보의 핵심축인 계룡시가 정부의 제2차 공공기관 지방이전 추진에 발맞춰 국방 특화 기관 유치를 위한 본격적인 행보에 나섰다. 3군 본부 입지라는 명확한 당위성에 더해 즉시 착공이 가능한 부지 확보까지 마치며 유치전에 사활을 걸었다. 계룡시는 지난 10일 국회의원회관 제2소회의실에서 ‘국방 관련 공공기관 유치 전략포럼’을 성공적으로 개최했다고 밝혔다. 충남도·계룡시·논산시·황명선 의원실과 공동 주최한 이번 행사에는 국방 분야 전문가와 지자체 관계자, 지역 주민 등 120여 명이 결집해 기관 유치에 대한 열망을 확인했다. 이번..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 추석맞이 대청소…‘거리를 깨끗하게’ 추석맞이 대청소…‘거리를 깨끗하게’

  • 쌀쌀해진 날씨에 긴팔 등장 쌀쌀해진 날씨에 긴팔 등장

  • 인플루엔자 국가예방접종 안내문 부착 인플루엔자 국가예방접종 안내문 부착

  • 코레일, 철도 중심 지역관광 활성화 워크숍 개최 코레일, 철도 중심 지역관광 활성화 워크숍 개최