[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. 서산 동문동 도시재생, '주민이 운영하는 주차장' 첫걸음, 선진지 견학 운영 역량 제고
  2. 나노종합기술원, 나노전문인력양성 8년간 인재 710명 배출 '취업률 92%'
  3. [인터뷰]양지혜 1세대 블로거, 생성형 AI <이누마(INUMA)와 함꼐한 AI 생존기> 출간
  4. 과학기술인력개발원, '디지털 배지' 활용해 학습자 성장 북돋는다
  5. 현대특수강(주), 대전장애인단체총연합회에 후원금 500만 원 전달
  1. 대전청과와 함께하는 무료 짜장면 나눔
  2. 대덕구노인종합복지관 노인맞춤돌봄서비스 행복 두 배 파티쉐
  3. 대전사랑메세나, YWCA 가족쉼터에 '8월의 크리스마스' 따뜻한 나눔
  4. 대전사랑메세나, 장기기증의 날 맞아 취약계층 초청 영화제 개최
  5. 아산시 주요 도로 확충사업, 기재부 예비타당성조사 최종 통과

헤드라인 뉴스


충청 명운 가른다…정기국회 현안입법 예산 초당적 협력 시급

충청 명운 가른다…정기국회 현안입법 예산 초당적 협력 시급

충청권 명운을 좌우할 정기국회가 다음달 1일 100일 간 대장정에 돌입하는 가운데 산적한 지역 현안 관철을 위해 초당적 협력이 시급하다. 행정수도특별법, 국군사 대전설치특별법 처리는 물론 정기국회 기간 로드맵이 공개될 것으로 보이는 공공기관 제2차 이전 등과 관련해 충청 여야의 총력전이 요구된다. 이와 함께 충청 100년을 좌지우지할 충청권 광역철도, 대전의료원, 청주공항 민간활주로 확충 등 예산 반영 및 증액에도 나서야 한다는 목소리가 높다. 국회는 다음달 1일 오후 2시 본회의장에서 정기국회 개회식을 연다. 7∼8일 교섭단체 대..

위기시 레버리지 등 투자상품 조정... 금융당국, 긴급조치권 확대 추진
위기시 레버리지 등 투자상품 조정... 금융당국, 긴급조치권 확대 추진

단일종목 레버리지 사태로 보완책을 고심 중인 정부가 시장위기 상황일 때 금융투자상품의 내용을 조정하는 방안을 들여다보고 있다. 증시 변수를 예측하기 어려운 만큼 이번 일을 계기로 증시 긴급조치권의 적용 대상을 금융투자상품으로 넓혀 필요시 적기 대응하도록 조정 권한을 미리 확보한다는 취지다. 30일 금융당국에 따르면 금융위원회는 시장 안정화와 투자자 보호가 필요한 상황에서 단일종목 레버리지를 포함한 금융투자상품 내용을 변경할 수 있도록 자본시장법 개정을 검토 중이다. 정부는 7월 30일 단일종목 레버리지의 추가 대책 하나로 해당 상품..

대전 미분양 1년 새 23% 증가… 중구 미분양 대폭 증가
대전 미분양 1년 새 23% 증가… 중구 미분양 대폭 증가

대전지역 미분양 주택이 1년 새 20% 넘게 증가한 것으로 나타났다. 특히 올해 들어 미분양 물량이 2000가구를 넘어선 가운데 전체 물량의 60% 이상이 중구에 집중되면서 원도심 주택시장에 부담이 커지고 있다. 대전시에 따르면 올해 6월 말 기준 지역 내 미분양 주택은 2044가구다. 지난해 6월 말 1663가구와 비교하면 381가구 늘어나 1년 사이 22.9% 증가했다. 올해 미분양은 연초부터 증가와 감소를 반복하면서도 전체적으로는 지난해보다 높은 수준을 유지했다. 1월 1549가구에서 2월 1752가구로 증가한 뒤 3월 160..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 제17회 대전시 동구청장배 전국풋살대회 여자부 8강 제17회 대전시 동구청장배 전국풋살대회 여자부 8강

  • 제17회 대전시 동구청장배 전국풋살대회 초등 3~4학년부 4강전 제17회 대전시 동구청장배 전국풋살대회 초등 3~4학년부 4강전

  • 제17회 대전시 동구청장배 전국풋살대회 초등 5~6학년부 예선 제17회 대전시 동구청장배 전국풋살대회 초등 5~6학년부 예선

  • 가을을 재촉하는 비 가을을 재촉하는 비