국내 연구진, 상온 양자컴퓨터 시대 열다

<차원 스커미온의 생성과 전기적 제어를 표현한 모식도. 한국표준과학연구원 제공>

김갑진 카이스트 교수팀, 이창구 성균관대 교수팀 등이 참여한 국내 연구진이 상온에서 양자컴퓨터 구현에 한 걸음 더 다가섰다. 한국표준과학연구원(KRISS)은 11일, 세계 최초로 2차원 상온에서 ‘스커미온(SKyrmion)’을 생성하고 제어하는 데 성공했다고 밝혔다. 스커미온은 소용돌이 모양으로 배열된 스핀(Spin) 구조체로, 이론상 수 나노미터 수준으로 크기를 줄일 수 있으며, 매우 적은 전력으로도 이동할 수 있는 차세대 소자의 핵심 기술이다.

KRISS는 상온의 2차원 자석 표면에 미세한 전압과 자기장을 공급해 스커미온을 구현하고, 생성된 스커미온에 전류를 가해 원하는 방향으로 제어하는 데 성공했다. 이번 실험은 기존 3차원 자석에서의 연구보다 1,000분의 1 수준의 전력으로 스커미온을 제어할 수 있으며, 스커미온의 크기도 10배 이상 작아져 안정성과 속도 측면에서 유리한 것으로 나타났다.

특히 이번 연구는 상온에서 스커미온 양자 현상을 극대화해 상온 큐비트 제작에 활용할 가능성을 열었다. 이는 초저온 환경에서만 구동할 수 있던 기존 양자컴퓨터의 한계를 넘어선 ‘상온 양자컴퓨터’ 개발의 문을 연 것이다.

양자컴퓨터와 일반컴퓨터의 차이

양자 컴퓨터는 양자역학의 원리를 기반으로 데이터를 처리하고 저장하는 획기적인 기술로, 현대 컴퓨팅의 패러다임을 새롭게 정의하고 있다. 기존의 컴퓨터가 비트(bit)라는 단위를 사용해 정보를 저장하는 반면, 양자 컴퓨터는 큐비트(qubit)라는 단위를 사용한다. 큐비트는 0과 1의 이진 상태뿐만 아니라 0과 1의 중첩 상태에도 존재할 수 있어, 정보의 표현과 처리가 훨씬 유연하고 강력하다.

큐비트의 중첩은 기존 컴퓨터의 비트와는 다르게 한 번에 0과 1 두 가지 상태를 동시에 가질 수 있는 특성이다. 기존 비트는 항상 0 또는 1의 하나의 상태만 가질 수 있으며, 이는 마치 전구가 켜지거나 꺼진 상태와 같다. 하지만 큐비트는 마치 공중에 던져진 동전이 회전하면서 앞면과 뒷면이 동시에 존재하는 것과 같이, 0과 1을 동시에 가질 수 있다. 따라서 하나의 비트는 한 번에 하나의 계산만 할 수 있지만 하나의 큐비트는 중첩 상태 덕분에 여러 계산을 동시에 수행할 수 있으며, 이는 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 복잡한 문제를 해결할 수 있게 한다.

또한 큐비트 간의 얽힘(entanglement) 현상은 서로 떨어진 큐비트들이 하나의 시스템처럼 상호작용을 할 수 있게 한다. 이러한 양자역학적 특성 덕분에 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터와 비교할 수 없는 성능을 발휘할 수 있다. 특히 특정 유형의 문제를 해결하는 데 있어 기하급수적으로 빠른 속도를 자랑하며, 기존 컴퓨터로는 접근하기 어려운 새로운 문제 해결 방법을 제시할 수 있다.

이러한 이유로 양자 컴퓨팅은 미래 사회에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 기존 컴퓨터의 한계를 뛰어넘어, 새로운 가능성을 제시하는 양자 컴퓨터의 발전은 우리 생활과 산업 전반에 걸쳐 깊은 영향을 미칠 것이다. 

<양자 컴퓨터와 기존 컴퓨터의 비교. https://engineer-daddy.co.kr/entry/양자-컴퓨터-원리 제공>

양자 얽힘이란? 

양자 얽힘은 두 개 이상의 양자 입자가 서로 강하게 연결되어, 아무리 멀리 떨어져 있어도 한 입자의 상태를 알면 다른 입자의 상태도 즉시 알 수 있는 현상이다. 한 쌍의 장갑으로 예를 들어보자. 이 두 장갑을 각각 서울, 뉴욕에 두었다고 가정했을 때 두 장갑은 물리적으로는 멀리 떨어져 있지만, 여전히 서로 연결되어 있다. 이제 서울에 있는 장갑을 뒤집으면, 뉴욕에 있는 장갑도 즉시 뒤집힌다. 반대로 뉴욕에 있는 장갑을 돌리면, 서울에 있는 장갑도 똑같이 돌려진다. 이 과정에서 두 장갑은 신호를 주고받는 것이 아니라, 마법처럼 서로의 상태를 즉시 반영한다.

양자 얽힘에는 비국지성, 즉각성, 비국소성이라는 핵심 특징이 있다. 비국지성은 얽힌 양자 물체가 아무리 멀리 떨어져 있어도 서로 즉각적으로 영향을 주고받는 현상을 말한다. 이는 마치 빛의 속도의 제한을 초월하는 것처럼 보이지만, 실제로는 정보가 이동하는 것이 아니라 미리 한 쌍을 결정된 상태를 공유하기 때문이다. 즉, 한 얽힌 양자 물체의 상태를 측정하면 다른 짝은 즉시 반대의 상태가 되는 즉각성을 보이며, 이는 서로 통신하는 것처럼 보일 수 있다. 그러나 실제로는 어떤 신호가 주고받는 것이 아니라, 두 입자가 미리 결정된 상태를 가지고 있기 때문에 측정 순간에 함께 변화하는 것으로 나타난다. 비국소성은 이와 같은 특성을 반영하여 한쪽 입자의 측정이 다른 쪽 입자의 상태를 즉시 결정짓는 현상으로, 이는 빛의 속도 제한을 뛰어넘는 것처럼 보이지만 본질적으로는 미리 결정된 상태를 공유하는 결과이다.

양자 얽힘은 다양한 기술에 활용된다. 양자 컴퓨팅은 양자 얽힘을 활용해 병렬적으로 복잡한 문제를 훨씬 빠르게 해결할 수 있다. 양자 얽힘은 도청할 수 없는 완벽한 보안 통신 시스템을 구축하기도 하며, 암호 해독을 할 수 없는 양자 암호화에도 활용된다. 이러한 이유로 양자 통신은 기존 통신 시스템보다 안전하고 신뢰할 수 있는 통신을 제공한다. 양자 텔레포트는 순간 이동이 아닌 양자 상태를 즉각적으로 전송하는 기술로 연구되고 있으며, 양자 센서는 극도로 미세한 물리적 현상을 감지하는 고감도 센서 개발에 활용될 수 있다. 또한, 양자 얽힘은 복잡한 화학 반응이나 물질의 특성을 시뮬레이션하는 데 사용되어, 새로운 의약품 개발과 고성능 소개 개발 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.

양자 컴퓨터 기술의 사회적 문제와 전망

양자 컴퓨팅 기술은 현재 실험적 단계에서 상용화 단계로 빠르게 전환되고 있다. 양자 컴퓨터는 신약 개발, 생명 과학, 금융 서비스, 물류 및 공급망 관리 등 다양한 산업에서 고전적인 컴퓨터보다 뛰어난 성능을 발휘하여 혁신을 끌어낼 것이다. 예를 들어, 양자컴퓨터는 신약 개발 시간 단축, 환자 치료 결과 개선, 의료 비용 절감을 가능케 한다. 금융 분야에서는 복잡한 데이터 분석과 최적화 문제를 해결하여 시장 예측 정확성을 높이고, 효율적인 투자 전략 수립을 돕는다. 물류와 공급망 관리에서는 최적의 경로를 신속히 찾아 자원 배분을 효율화하여 운영 효율성을 크게 향상할 수 있다.

국민대학교 이대환 교수의 저서에 따르면 양자 컴퓨팅의 상용화에는 해결해야 할 여러 도전 과제가 존재한다. 첫째, 큐비트의 안정성과 조작성을 향상하기 위한 연구가 필수적이다. 현재의 큐비트 기술은 외부 환경의 영향을 쉽게 받아 오류 발생률이 높다. 이를 극복하기 위해 양자 오류 수정 기술의 발전이 필요하다. 둘째, 양자 컴퓨터의 제어 및 측정 시스템을 정밀하게 개발해야 한다. 이는 큐비트의 상태를 정확하게 조작하고, 계산 결과를 신뢰성 있게 얻는 데 중요한 역할을 한다.

양자 컴퓨팅의 발전은 윤리적 문제를 수반한다. 예를 들어, 양자 컴퓨터는 기존의 암호화 기술을 무력화할 수 있는 잠재력이 있어 기술을 활용할 때 정보 보안과 프라이버시 문제를 깊이 고민해야 한다. 또한, 양자 컴퓨팅의 발전은 노동 시장에서도 영향을 미칠 수 있다. 특정 산업 분야에서 양자 컴퓨터를 활용한 자동화와 최적화가 진행되면 일부 직업이 대체될 수 있다. 이 교수는 이러한 변화에 대비하기 위해 새로운 기술에 대한 교육과 훈련이 필요하며, 노동 시장의 전환을 지원하는 정책이 마련되어야 한다고 전했다.

[기사]

https://engineer-daddy.co.kr/entry/%EC%96%91%EC%9E%90-%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0-%EC%9B%90%EB%A6%AC

https://engineer-daddy.co.kr/entry/%EC%96%91%EC%9E%90-%EC%96%BD%ED%9E%98-%ED%8A%B9%EC%A7%95-%EC%9D%91%EC%9A%A9%EC%82%AC%EB%A1%80

https://munhwa.com/news/view.html?no=2024061101039905098001

[참고자료]

다가오는 미래, 아직도 뒤쳐질 것인가? 지은이 : 안정진, 이대환 교수

https://wikidocs.net/250725