[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. 민주진보 세종교육감 '임전수 후보' 선출… 6자 구도 새판
  2. 민주당 대전시장 후보 토론회 난타전…張-張 협공 許 반격
  3. 민주당 충남지사 경선 후보 간 신경전 격화… 박 "억지왜곡 자중" VS 양 "즉시 해명하라"
  4. 신인 등용문 '웅진주니어 문학상' 최종 수상작은
  5. [인터뷰]한국 현대 조각의 거장 최종태 작가
  1. 교육부 사교육비 경감책 발표… “공교육 강화 빠졌다” 비판도
  2. 선소리산타령과 어우러진 '풍류아리랑 가람제' 성료
  3. 오직 동네 슈퍼에서만…990원 착한소주 등장
  4. 더불어민주당 대전시장 후보자 토론회
  5. 충남대병원, 재관류치료 뇌졸중센터 인증… 뇌졸중 응급진료 체계 입증

헤드라인 뉴스


이 대통령 "지방정부 (중동) 위기 극복 뒷받침에 9조5천억 지원"

이 대통령 "지방정부 (중동) 위기 극복 뒷받침에 9조5천억 지원"

이재명 대통령은 2일 “지방정부도 (중동) 위기 극복의 주체로 나설 수 있도록 하겠다”며 추가경정예산 국회 처리에 협조를 구했다. 이 대통령은 이날 오후 국회의사당에서 2026년 추가경정예산안 시정연설을 통해 "지방교부세와 교부금 등 지방의 투자 재원 9조5000억원을 보강해 지방정부의 위기 극복 노력을 뒷받침하겠다"고 밝혔다. 이 대통령은 "중동 전쟁이 시작된 지 오늘로 34일째, 최악의 에너지 안보 위협으로 평가받는 이번 사태는 글로벌 경제에 충격을 주고, 언제 끝날지 알 수 없는 불확실성은 경제에 큰 악영향을 미치고 있다"며..

대전 원도심, 문화로 다시 숨 쉬다…도시재생과 예술의 결합
대전 원도심, 문화로 다시 숨 쉬다…도시재생과 예술의 결합

대전 원도심은 오랜 시간 지역 문화예술의 뿌리 역할을 해왔지만, 도시 확장과 함께 문화 인프라가 신도심으로 이동하며 점차 활력을 잃어왔다. 공연장과 전시시설, 문화공간이 특정 지역에 집중되면서 시민들의 문화 향유 기회 역시 불균형이 심화됐다는 지적이 이어져 왔다. 이에 대전시가 원도심의 역사성과 문화 자산을 바탕으로 새로운 문화 생태계 구축에 나섰다. 도시재생과 예술을 결합한 '3대 특화 문화시설' 조성을 통해 원도심을 다시 문화 중심지로 복원하고, 일상 속 문화 접근성을 높이겠다는 전략이다. 이번 사업이 지역 간 문화 격차 해소와..

트럼프 발언에 천당·지옥 오간 자산시장…충청권 상장사 속수무책
트럼프 발언에 천당·지옥 오간 자산시장…충청권 상장사 속수무책

2일 미국 도널드 트럼프 미국 대통령의 대국민 연설로 중동 전쟁 종전 선언 기대감이 꺾이면서, 주요 자산시장의 투자심리가 위축되고 있다. 코스피·코스닥 지수는 급락하면서 매도 사이드카가 발동됐고, 가상화폐 시장도 급락세를 보였다. 충청권 상장사의 주가 역시 전 거래일 회복세에서 하루 만에 하락 전환했다. 이날 한국거래소에 따르면 코스피는 전 거래일 대비 244.65(4.47%)포인트 하락한 5234.05, 코스닥은 전 거래일 대비 59.84(5.36%)포인트 하락한 1056.34를 기록했다. 서울 외환시장에서 미국 달러화 대비 원화..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 벚꽃 활짝…대전에 봄 왔네 벚꽃 활짝…대전에 봄 왔네

  • 고유가에 운행 포기 속출 고유가에 운행 포기 속출

  • 대전 도심을 푸르게 대전 도심을 푸르게

  • 버스와 트램의 장점 살린 3칸 굴절차량 도심 주행 버스와 트램의 장점 살린 3칸 굴절차량 도심 주행