[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. 내년 세종에 '로봇위성 개발기업' 들어선다… 우주산업 기반 확대 기대감
  2. [단독] 김찬술 대덕구청장 "공공기관 온다면 신청사도 내놓겠다"
  3. 자운대 통합사관학교 흔들고 육사 이전설까지… 충청권 출혈 경쟁 부추기나
  4. "충남도·(주)한국발전, 최상의 파트너"… 통합본사 충남 유치 당연
  5. ‘통합 재투표를 반대한다’
  1. 2차 중앙행정기관 이전 코 앞인데… 임시청사·주거·보육 등 대책 고심
  2. [춘하추동] 받는 것, 주는 것, 그리고 잃는 것
  3. 대전 빈집 1486호 남았다… 대덕구에 452호 집중
  4. 충남대 통합 재추진 앞두고 학생사회도 공동행동 .. 재투표 방식 권익 보장 요구
  5. 대전시장애인체육회-장애인단체총연합회, 생활체육 확대 협약 체결

헤드라인 뉴스


"대한민국 에너지 수도 `충남`에 발전공기업 통합본사 입지해야"

"대한민국 에너지 수도 '충남'에 발전공기업 통합본사 입지해야"

'대한민국 에너지 수도'를 지향하는 충남도에 5개 발전공기업의 '통합본사'를 유치하기 위해 여야 국회의원과 자치단체장들이 의기투합했다. 충남도 내에서 유치 경쟁을 벌이고 있는 당진시와 보령시, 태안군 역시 불필요한 갈등을 불식하기 위해 한목소리로 '충남 유치'를 강조했다. 충남도와 더불어민주당 어기구(당진시)·국민의힘 성일종(서산·태안)·장동혁(보령·서천) 의원은 10일 오후 국회의원회관에서 '발전공기업 통합본사 충남 유치를 위한 정책토론회'를 공동 개최했다. 토론회에는 3명의 국회의원과 박수현 충남도지사를 비롯해 더불어민주당 김기..

박수현 충남지사 "치의학연구원 천안 유치는 `독도는 우리 땅` 같은 이치"
박수현 충남지사 "치의학연구원 천안 유치는 '독도는 우리 땅' 같은 이치"

박수현 충남지사가 천안시민들과 함께 국립치의학연구원 천안 유치를 위한 범도민 결의를 다졌다. 박수현 지사는 10일 천안시청 봉서홀에서 열린 14번째 '충남통(通)행' 일정에서 장기수 천안시장 및 천안시민 800여 명과 함께 국립치의학연구원 천안 유치를 위한 결의 퍼포먼스를 전격 단행했다. 이번 퍼포먼스는 최근 출범한 '범충남 추진체'에 이어 도민의 결집된 유치 열기를 대외적으로 선언하기 위해 마련됐다. 충남도는 KTX 천안아산역 인근 융복합 R&D 지구 내 1만 94㎡ 규모의 부지를 선제적으로 확보한 데다, 단국대 치과대학 및 치과..

대전 빈집 1486호 남았다… 대덕구에 452호 집중
대전 빈집 1486호 남았다… 대덕구에 452호 집중

대전지역에 정비되지 않은 빈집이 1486호에 달하는 것으로 나타났다. 이는 2년 전 실시한 빈집 실태조사에서 파악된 1635호 가운데 정비가 완료된 149호를 제외한 수치로 한 호당 3000만 원 안팎에 이르는 철거비용과 재개발·재건축 구역에 포함된 빈집 등으로 정비에 속도를 내지 못하고 있다. 시는 전면 철거뿐 아니라 주변 환경 개선 등 정비 방식을 다각화해 빈집 정비에 속도를 높인다는 방침이다. 10일 대전시에 따르면 올해 10월 말 기준 대전지역 빈집은 1486호로 집계됐다. 이는 2024년 조사 당시 파악된 1635호에서 정..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • ‘통합 재투표를 반대한다’ ‘통합 재투표를 반대한다’

  • 가을철 산불 ‘이상무’ 가을철 산불 ‘이상무’

  • 2026년산 공공비축미곡 매입 2026년산 공공비축미곡 매입

  • 다문화가정과 함께하는 고추장 만들기 다문화가정과 함께하는 고추장 만들기