[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. 국회 세종의사당 1191억원 대전 트램 2043억원 반영
  2. 천안 복합테마파크 주변 사유지내 대규모 불법구조물 매립, 책임소재 밝혀지나
  3. [창간75-축사] 조정식 국회의장 "언론 본연 가치 흔들림 없어야"
  4. [창간75-축사] 이재명 대통령 "지역발전 도모하는 든든한 등대"
  5. [창간75-축사] 허태정 대전시장 "시민 목소리 담아 대전의 새로운 100년 함께 열길"
  1. [창간75] AI 선도·반도체 성장축 떠오른 충청…초광역 ‘원팀 전략’ 관건
  2. 구본영 충남도 정무부지사, 천안 공장 화재 사고 희생자 빈소 방문
  3. [창간75] 충청권 392兆 대규모 투자 마중물… '초광역 경제권' 발판 삼아야
  4. [충남대, 서울대 10개 국가대표로] 교육-연구-산업 연결 'NEXUS' 들여다보니
  5. [창간75-축사] 강미애 세종교육감 "세종교육 발전 든든한 동반자로"

헤드라인 뉴스


국회 세종의사당 1191억원 대전 트램 2043억원 반영

국회 세종의사당 1191억원 대전 트램 2043억원 반영

충청권 최대 현안 중 하나인 국회 세종의사당 건립비 1191억원과 대전 도시철도 2호선 트램 건립에 들어갈 2043억원이 각각 내년 정부 예산안에 1일 반영됐다. 정부는 이날 청와대에서 국무회의를 열고 이같은 내용을 골자로 하는 2027년 예산안 821조 원을 심의해 승인했다. 무소속 김종민 의원(세종갑)실에 따르면 국가균형발전 백년대계인 세종의사당 내년 예산은 1191억원 반영됐다. 이는 올해 예산 956억원 보다 약 24.5% 증액된 규모다. 세종의사당은 세종시 세종동 국가상징구역 안에 건립되며 2033년 준공 목표다. 지난 5..

중도일보 창간 75주년 기념식 선샤인호텔서 열려…"더욱 힘찬 도약 다짐"
중도일보 창간 75주년 기념식 선샤인호텔서 열려…"더욱 힘찬 도약 다짐"

국토의 중심에서 세상의 목소리를 전하며 충청의 가치를 증명해온 중도일보(회장 김원식, 사장 유영돈)가 창간 75주년을 맞아 1일 오전 10시 30분 대전시 동구 선샤인호텔에서 창간 75주년 기념식을 개최했다. 유지은 대전 MBC 아나운서의 사회로 진행된 이날 기념식에서 허태정 대전시장, 조상호 세종시장, 박수현 충남도지사, 김정겸 독자권익위원장(충남대 총장), 정태희 대전상공회의소 회장이 동영상으로 중도일보 창간 75주년 축하 메시지를 전했다. 김원식 회장과 유영돈 사장은 이날 중도일보에 몸담았던 산증인들인 성기훈 전 고문, 조성남..

`위용` 드러낸 세종지방법원… 설계공모 당선작 공개
'위용' 드러낸 세종지방법원… 설계공모 당선작 공개

행정중심복합도시건설청(이하 행복청, 청장 강주엽)이 세종시 반곡동에 들어설 세종지방법원 설계공모 당선작으로 ㈜희림건축사사무소 컨소시엄의 '그늘숲 법원'을 선정하고 1일 공개했다. 이번 설계공모에는 ㈜희림건축사사무소 컨소시엄, ㈜선진엔지니어링종합건축사사무소 컨소시엄, 에이앤유디자인그룹건축사사무소 3개사가 작품을 제출했다. 심사위원회는 ▲경사지 특성을 고려한 건물 계획 ▲법정동과 민원동 등 기능별 공간의 분리성과 연결성 ▲법원의 상징성을 잘 나타낸 건물 입면계획 등을 종합적으로 평가하여 당선작을 선정했다. 앞서 31일 행복청은 심사 전..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 대전신세계 개점 5주년…베어 벌룬과 ‘찰칵’ 대전신세계 개점 5주년…베어 벌룬과 ‘찰칵’

  • 물폭탄에 잠긴 교량 차지한 오리 물폭탄에 잠긴 교량 차지한 오리

  • ‘두 달째 파행하고 있는 대덕구의회 규탄한다’ ‘두 달째 파행하고 있는 대덕구의회 규탄한다’

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