[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. 아산시, '찾아가는 보건 복지서비스' 강화
  2. 아산시, '우리 동네 골목길 배움터' 본격 운영
  3. 천안박물관, 14~28일 '역사 속 천안 이야기' 운영
  4. 천안시, 16일부터 '2026년 지역사회 건강조사' 실시
  5. 선문대 '2026 전공탐색 Festival'성료
  1. 천안법원, 월세계약서 위조 후 거액받아 가로챈 60대 일당 실형
  2. 천안시, 대표 특화작목 '하늘그린멜론' 첫 수확
  3. 충남중기청 '무역 빅데이터·AI활용 바이어 발굴 실무 교육' 실시
  4. '국회 세종의사당'도 윤곽… 행정수도 종착지로 간다
  5. '행정수도특별법' 통과 안갯 속… 민주당은 진정성 보일까

헤드라인 뉴스


2차공공기관 이전... 지방선거 민심 흔들까

2차공공기관 이전... 지방선거 민심 흔들까

이재명 정부 출범과 동시에 불붙은 '공공기관 2차 이전'이 6·3 지방선거를 앞두고 지역 민심을 좌우하는 변수로 떠오르고 있다. 선거 국면에 접어들면서 전국적으로 유치 경쟁과 통폐합 논란, 지역 차별 인식에 더해 수도권의 '유출 저지' 움직임까지 맞물리며 선거 판세를 흔들고 있기 때문이다. 앞서 정부는 지난해 연말을 기점으로 이전 대상 공공기관 전수조사에 착수, 최대 350개 기관 이전을 검토하고 있다. 정부는 올해 안에 공공기관 이전 원칙과 세부 일정을 담은 로드맵을 발표하고, 2027년부터 임차 청사 등을 활용한 본격적인 이전을..

`몇 년째 풀만 무성` 대덕특구 재창조 핵심과제 `융합연구혁신터` 착공 언제?
'몇 년째 풀만 무성' 대덕특구 재창조 핵심과제 '융합연구혁신터' 착공 언제?

대덕연구개발특구(대덕특구) 재창조 핵심과제 중 하나인 융합연구혁신센터 조성이 차일피일 미뤄지고 있다. 2026년부터 운영할 예정이었지만 사업 계획 변경과 총사업비 조정 등으로 시간을 소모하며 아직 첫 삽조차 뜨지 못한 상태다. 10일 대전시 등에 따르면 유성구 신성동 옛 한스코 연구소 부지(신성동 100번지)에 설립될 융합연구혁신센터는 현재 실시설계 적정성 검토 마무리 단계를 밟고 있다. 실시설계가 적정하게 됐는지를 검토하는 것으로, 이후 공사 발주와 업체 선정을 거쳐 착공 단계에 돌입하게 된다. 융합연구혁신센터는 2022년 12월..

중동 전쟁 장기화에 대전 자영업 울상... "고유가 피해지원금에 희망"
중동 전쟁 장기화에 대전 자영업 울상... "고유가 피해지원금에 희망"

중동 전쟁 장기화에 따른 소비 침체와 물가 인상으로 대전 자영업자들의 한숨이 짙어지고 있다. 어려운 경기 상황에 소비는 갈수록 줄어들고, 배달 용기와 비닐 등 가격 인상에 매출 감소와 마진율 하락으로 이중고를 겪으며 한탄 섞인 목소리가 계속되는데, 업계는 고유가 피해지원금에 실낱같은 희망을 걸고 있다. 10일 업계에 따르면 중동 전쟁 여파와 쪼그라든 소비 침체에 자영업자들의 토로가 곳곳에서 나오고 있다. 중동 전쟁 직후 나프타 수급 불안으로 배달 용기 가격 인상이 가장 큰 요인으로 꼽힌다. 자영업자들은 SNS(소셜네트워크서비스)를..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 7년 만에 재개된 선양계족산맨발축제…‘황톳길의 매력에 빠지다’ 7년 만에 재개된 선양계족산맨발축제…‘황톳길의 매력에 빠지다’

  • 작은 지구촌에서 즐기는 세계인 어울림 대축제 작은 지구촌에서 즐기는 세계인 어울림 대축제

  • 5차 석유 최고가격제 또 동결 5차 석유 최고가격제 또 동결

  • 유성온천 문화축제 준비 ‘이상무’ 유성온천 문화축제 준비 ‘이상무’