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2024-11-24 (일)

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[신소재 신기술(125)] 양자 '슈뢰딩거의 고양이' 23분간 유지 성공…양자역학 새 지평 열어

과학자들이 양자 고양이 상태를 무려 23분(1400초) 이상 유지해 기존 기록을 경신했다. 중국 과학기술대학교 연구진이 '슈뢰딩거의 고양이' 상태를 1400초(약 23분 33초) 동안 유지하는 데 성공했다는 연구 결과를 발표했다고 IFL사이언스가 전했다. 이는 양자 중첩 상태를 장시간 유지한 세계 최장 기록으로, 고정밀 특정 및 양자 컴퓨터 정보 처리 분야에 새로운 가능성을 제시할 것으로 기대된다. 슈뢰딩거의 고양이는 양자역학의 원리를 설명하는 데 자주 사용되는 비유로 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 1935년에 고안한 사고 실험이다. 이 실험은 양자 역학의 불완전함을 보여주기 위해서 고안됐다. 실험 원리는 다음과 같다. 상상속의 밀폐된 상자 안에 고양이 한 마리가 들어있다. 또 상자 안에는 방사성 물질과 연결된 독가스 장치가 있다. 방사성 물질은 1시간 안에 50%의 확률로 붕괴한다. 만약 붕괴하면 독가스가 방출되어 고양이가 죽고, 붕괴하지 않으면 고양이가 살아 있다. 여기서 중요한 점은 상자를 열어보기 전까지는 고양이가 죽었는지 살았는지 확인할 수 없다는 것이다. 양자역학에 따르면, 상자를 열어 확인하기 전까지 고양이는 죽어 있는 상태와 살아 있는 상태가 중첩되어 존재한다. 즉, 고양이는 살아 있으면서 죽어 있는 상태다. 슈뢰딩거는 이 실험을 통해 양자역학의 '중첩' 해석에 의문을 제기했다. 거시세계에서는 고양이가 죽었거나 살았거나 둘 중 하나이며 중첩된 두 가지 상태가 동시에 존재할 수 없기 때문이다. 즉, '슈뢰딩거의 고양이'는 양자역학의 불확실성을 설명하는 사고 실험으로, 상자 속 고양이가 살이 있는 상태와 죽어 있는 상태가 중첩되어 존재한다는 개념이다. 연구팀은 1만개의 이터븀 원자를 절대영도보다 몇 천분의 1도 높은 온도로 냉각시키고 빛을 이용하여 포획하는 실험을 진행했다. 각 원자는 정밀하게 제어되어 두 가지 스핀 상태의 중첩 상태, 즉 '양자 고양이' 상태를 형성했다. 이번 연구에서 주목할 점은 양자 고양이 상태의 유지 기간이다. 자연 상태에서는 중첩 상태가 순식간에 붕괴되지만, 이번 실험에서는 1400초 동안 유지됐다. 연구진은 진공 개념을 개선하면 유지 시간을 더욱 늘릴 수 있을 것으로 예상했다. 인도 캘거리 대학교의 배리 센더스 교수는 "이터븀 원자를 이용해 안정적인 양자 고양이 상태를 구현한 것은 놀라운 성과"라며 "이를 통해 미세한 외부 영향을 감지하고 상호 작용을 연구하는 데 활용할 수 있다"고 평가했다. 센더스 교수는 이 연구에 참여하지는 않았다. 이번 연구는 이터븀 원자를 이용한 장치가 자기장 측정에 매우 민감하게 반응한다는 사실을 밝혀냈으며, 다양한 분야의 응용 가능성을 제시했다. 양자역학 분야에서는 지난해에 16 마이크로그램의 결정을 중첩 상태로 만드는 실험이 성공하는 등 끊임없는 혁신이 이루어지고 있다. 이번 연구 결과는 아직 동료 평가를 받지 않았으며, 관련 논문은 아카이브(arXiv)에서 확인할 수 있다.
- IT/바이오
2024-11-01
[신소재 신기술(116)] 양자 실험으로 '음의 시간' 증거 발견

과학자들이 양자 실험을 통해 '음의 시간' 증거를 발견했다. 캐나다 토론토 대학의 연구팀이 광자가 원자를 통과하는 과정에서 '음의 시간' 현상을 보이는 것을 관찰했다고 밝혔다고 IFL사이언스와 퓨처리즘 등 다수 외신이 전했다. 아직 동료 평가를 거치지 않은 이 연구는 과학 전문 매체 '사이언티픽 아메리칸'에 소개되며 학계의 주목을 받고 있다. 음의 시간은 시간이 마치 거꾸로 흐르는 것처럼 보이는 현상을 말한다. 시간은 일반적으로 과거에서 현재, 미래로 흐른다고 여겨진다. 하지만 양자역학의 세게에서는 시간이 마치 뒤로 가는 것처럼 보이는 현상이 나타날 수 있다. 이것을 '음의 시간' 또는 '시간 역행'이라고 부른다. 연구팀은 광자 펄스를 절대 영도에 가까운 온도의 원자 구름에 발사하는 실험을 진행했다. 그 결과, 광자가 원자에 흡수되지 않고 통과할 때에도 원자는 마치 광자를 흡수한 것처럼 일정 시간 동안 들뜬 상태를 유지하는 현상이 관찰됐다. 반대로 광자가 원자에 흡수된 경우에는 원자가 들뜬 상태에서 바닥 상태로 돌아가기 전에 광자가 다시 방출되는 현상이 나타났다. 이는 광자가 원자를 들뜨게 할 때, 즉 흡수될 때, 원자에 영향을 주지 않고 통과할 때보다 더 빠르게 원자 구름을 통과한다는 것을 의미한다. 연구팀은 이러한 현상을 '음의 시간 지연'이라고 설명하며, 양자역학적 불확정성과 중첩 현상으로 인해 발생한다고 분석했다. 즉, 광자와 같은 양자 입자는 동시에 두 가지 상태로 존재할 수 있으며, 이로 인해 측정 결과는 양수와 음수 값 모두를 가질 수 있다는 것이다. 이 연구는 시간에 대한 우리의 이해를 바꾸는 것은 아니지만, 광학 분야에서 음의 시간이 광자 전송과 관련하여 "일반적으로 인식되어 온 것보다 더 큰 물리적 의미를 가진다"는 것을 시사한다. 하지만 일부 전문가들은 이 연구 결과에 대해 신중한 입장을 보이며, 추가적인 연구를 통해 검증이 필요하다고 지적했다.
- IT/바이오
2024-10-04
[신소재 신기술(78)] 유기 태양 전지 패널, 햇빛 20% 전기 변환 성공…실리콘 대체 가능성 높여

미국 과학자들이 새로운 유기 태양 전지 패널을 개발해 햇빛의 20%를 전기로 변환하는 데 성공했다. 유기 태양 전지판(Organic Solar Cell)은 빛을 흡수해 전기를 생산하는 태양 전지의 한 종류다. 기존의 실리콘 태양 전지판과 달리 탄소 기반의 유기 반도체 물질을 사용해 제작된다. 캔사스대학교 연구진이 유기 반도체에 햇빛의 20%를 전기로 변환해, 태양 에너지 분야에 혁신을 가져올 수 있는 가능성을 제시했다고 인터레스팅엔지니어링이 보도했다. 수년 동안 실리콘은 태양 에너지 환경을 지배해왔다. 실리콘의 효율성과 내구성 덕분에 태양광 패널에 가장 많이 사용하는 소재가 된 것. 하지만 실리콘 기반 태양전지는 딱딱하고 생산 비용이 비싸서 곡면에 적용하는 데 한계가 있었다. 유기 반도체는 실리콘 태양 전지 패널보다 저렴하고 유연하며, 다양한 색상과 투명도를 구현할 수 있어 차세대 태양 전지 소재로 주목받고 있다. 유기 태양 전지판은 얇고 가벼우며, 플라스틱 기판 등 다양한 소재에 적용할 수 있어 곡면이나 불규칙한 표면에도 설치가 가능하다. 게다가 유기 물질은 실리콘보다 독성이 적고 재활용이 용이해 환경 친화적이다. 유기 반도체는 이미 휴대전화, TV, 가상현실(VR)헤드셋과 같은 가전제품의 디스플레이 패널에 사용되지만 상업용 태양광 패널에는 아직 널리 사용되지 않는다. 유기 반도체인 탄소 기반 소재는 더 낮은 비용과 더 큰 유연성으로 실행가능한 대안을 제공한다. 하지만 지금까지는 빛을 전기로 변환하는 효율성이 낮아 실리콘 태양 전지 패널을 대체하기 어렵다는 한계가 있었다. 연구를 주도한 캔자스 대학교의 물리학 및 천문학 부교수인 와이런 챈 박사는 "이러한 재료는 벽에 페인트를 칠하는 것처럼 용약 기반 방법을 사용해 임의의 표면에 코팅할 수 있기 때문에 태양광 패널의 생산 비용을 잠재적으로 출 수 있다"고 설명했다. 이러한 유기 반도체는 단순히 비용 절감에만 그치지 않는다. 특정 파장의 빛을 흡수하도록 조정할 수 있어 새로운 가능성을 열어준다. 챈은 "이러한 특성 덕분에 유기 태양 전지 패널은 차세대 친환경적이고 지속 가능한 건물에 사용하기에 특히 적합하다"고 덧붙였다. 이번 연구는 유기 반도체의 일종인 비풀러렌 악셉터(NFA)의 높은 효율성에 대한 의문에서 시작됐다. 연구진은 NFA가 기존 유기 반도체보다 뛰어난 성능을 보이는 이유를 규명하는 과정에서 예상치 못한 현상을 발견했다. 특정 조건에서 NFA의 전자가 에너지를 잃는 대신 주변 환경으로부터 에너지를 얻는 현상을 관찰한 것이다. 이는 뜨거운 커피가 주변으로 열을 잃는 것과는 반대되는 현상으로 양자역학과 열역학의 결합으로 설명될 수 있었다. 연구진은 첨단 기술인 시간 분해 이광자 광전자 분해법을 활용해 1조분의 1초보다 짧은 시간 동안 전자의 에너지 변화에 추적했다. 그 결과 NFA의 전자가 양자역학적 특성으로 인해 여러 분자에 동시에 존재하는 것처럼 보이며, 이러한 현상이 열역학 제2법칙과 결합해 열흐름의 방향을 역전시키는 것을 확인했다. 이러한 역전된 열 흐름은 NFA의 전자가 주변 환경으로부터 에너지를 흡수하고 전하 분리 과정을 촉진해 전류 생성 효율을 높이는 데 기여한다. 연구진은 이번 발견이 태양 전지 효율을 20%까지 끌어올려 실리콘 태양 전지와의 격차를 좁히는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대하고 있다. 또한 이러한 에너지 획득 메커니즘은 태양 전지 뿐만 아니라 이산화탄소를 유기 연료로 변환하는 광촉매 등 다른 재생 에너지 분야에도 적용될 수 있을 것으로 전망했다. 이는 유기 반도체 기반 기술의 잠재력을 극대화하고, 지속가능한 에너지 시스템 구축에 기여할 수 있는 중요한 발견으로 평가된다. 이번 연구는 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)' 저널에 게재됐다.
- 포커스온
2024-07-16
미국 NIST-콜로라도주립대 JILA, 역대 최고 초정밀 원자시계 개발

미국표준기술연구소(NIST)와 콜로라도주립대 볼더 캠퍼스가 합작해 설립한 물리학 연구소 JILA의 연구진이 아인슈타인의 일반 상대성이론이 예측한 대로 미세한 효과까지 측정할 수 있는 초정밀 빛 기반 원자시계를 개발했다고 NIST가 발표했다. NIST 홈페이지에 실린 게시글에 따르면 제작된 시계는 1초를 보다 정확하게 나타내게 되며, 심지어는 새로운 지하 광물 매장지의 발견으로까지 이어질 수도 있다고 한다. 원자시계는 일반적으로 마이크로파를 사용해 1초의 길이를 결정한다. 이번 연구는 여기에서 발전한 것으로, 가시광선으로 원자를 비추면 광파의 주파수가 마이크로파보다 훨씬 높아 초를 더욱 정확하게 계산해 낸다. 빛 기반 광학 원자시계는 마이크로파 시계에 비해 더욱 정밀해 300억 년에 1초 정도의 오차가 생길 수 있다. 다만 이 정도의 정확도에 도달하려면 시계의 정밀도 역시 높아져야 한다. 즉 극히 정밀한 초까지 측정할 수 있어야 한다. 원자시계의 정밀도 향상 JILA 연구진은 가시광선을 사용하는 대신 광학 격자로 알려진 빛의 그물을 사용해 수만 개의 원자를 동시에 측정했다. 이는 원자시계에 초를 정확하게 측정할 수 있는 더 많은 데이터를 제공했다. 과거에는 광학 격자 접근 방식이 사용됐지만, JILA 연구진은 측정을 위해 상대적으로 더 부드러운 접근 방식을 사용했다. 이로 인해 레이저 자체가 원자를 측정하거나 원자가 서로 충돌하는 효과 등 두 가지 오류 가능성을 줄일 수 있었다. 상대성과 그 이상의 효과 측정 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 중력은 시간에 영향을 미친다. 중력장이 강할수록 시간의 흐름이 느려진다. JILA가 개발한 시계는 밀리미터 미만 규모의 시간 기록에 대한 중력의 영향을 감지할 수 있을 만큼 민감하다. JILA와 NIST의 물리학자인 준 예 교수는 이번 원자시계 제작과 관련, 시간 기록으로 가능한 한계를 돌파하고 있다면서 시계 설계가 측정을 넘어 양자 영역까지 확장됐다고 말했다. 양자 컴퓨터는 원자와 분자의 특성을 활용해 복잡한 계산을 수행한다. JILA 시계는 정밀한 측정이 가능하기 때문에, 일반 상대성이론과 양자역학 이론이 교차하는 미시적 영역에서 중력에 의한 시간 흐름의 왜곡까지 측정할 계획이다. 시계의 정확성은 과학자들이 매우 먼 거리에 떨어진 우주 공간에서도 정확한 시간을 유지하는 데 도움이 된다. 이와 관련, 예 교수는 "예컨대 정밀한 정확도로 화성에 우주선을 착륙시키려면 현재 GPS에 있는 것보다 훨씬 더 정확한 시계가 필요하다"고 덧붙였다. 보고서는 "과학은 측정 영역의 미개척지를 탐구하고 있다. 높은 수준의 정밀도로 사물을 측정할 수 있게 되면 지금까지 이론으로만 가능했던 현상이 실제로 보이기 시작한다"고 강조했다. 연구 결과는 '피지컬 리뷰 레터(Physical Review Letters)' 저널에 게재될 예정이다.
- IT/바이오
2024-07-04
[신소재 신기술(63)] 양자 얽힘으로 지구 자전 측정 정밀도 획기적인 향상

오스트리아 빈 대학교(University of Vienna) 연구팀이 양자 얽힘을 이용해 지구 자전 측정의 정밀도를 획기적으로 높이는 실험에 성공했다. 이 연구는 양자 얽힘을 활용해 전례 없는 정밀도로 회전 효과를 감지하는 향상된 광학 사그낙 간섭계(Sagnac interferometer)를 사용해 양자역학과 일반 상대성 이론 모두에서 잠재적인 돌파구를 제시한다고 사이테크 데일리가 전했다. 양자 얽힘은 두 개 이상의 입자가 서로 연결되어 있어 하나의 입자를 측정하면 다른 입자의 상태도 즉시 결정되는 현상이다. 빈 대학교의 필립 빌터(Philip Walther) 박사가 이끄는 연구팀은 지구 자전이 양자 얽힘 광자에 미치는 영향을 측정하는 실험을 성공적으로 수행했다. 이번 연구는 얽힘 기반 센서의 회전 감도 한계를 뛰어넘는 중요한 성과로 평가된다. 또한, 양자 역학과 일반 상대성 이론의 교차점에서 추가 연구의 발판을 마련할 수 있을 것으로 기대된다. 연구 결과는 지난 6월 14일 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)' 저널에 게재됐다. 사그낙 간섭게의 발전 연구팀은 거대한 광섬유 사그낙(sagnac) 간섭계를 구축하고 몇시간 동안 낮은 노이즈를 유지하며 안정적인 실험 환경을 조성했다. 이를 통해 이전의 양자 광학 사그낙 간섭계보다 회전 정밀도를 1000배 향상시키는 고품질 얽힘 광자 쌍을 충분히 감지할 수 있었다. 사그낙 광학 간섭계는 회전에 가장 민감한 장치다. 사그낙 간섭계는 빛의 간섭 현상을 이용하여 회전 운동을 감지하는 광학 장치다. 1913년 프랑스 물리학자 조르주 사그낙이 고안했으며, 지난 세기 초부터 아인슈타인의 특수 상대성 이론을 확립하는 데 기여해 기초 물리학을 이해하는 중추적인 역할을 해 왔다. 오늘날에는 광섬유 자이로스코프, 레이저 자이로스코프 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 이 장치는 오늘날에도 탁월한 정밀도 분석 덕분에 고전 물리학의 한계로만 제한되었던 회전 속도를 측정하는 최고의 도구로 사용되고 있다. 빈 대학교와 오스트리아 과학 아카데미가 주최하는 연구 네트워크 TURIS의 일환으로 수행된 이번 실험은 최대 얽힘 상태의 두 광자에 대한 지구 자전 효과를 성공적으로 관측했다. 연구팀은 아인슈타인의 특수 상대성 이론과 양자 역학에서 설명하는 회전 기준 시스템과 양자 얽힘 간의 상호 작용을 확인했다. 실제 실험에서 거대한 코일에 감겨진 2km 길이의 광섬유 내부에서 얽힌 광자 2개가 전파되면서 유효 면적이 700㎡가 넘는 간섭계가 구현됐다. 실험 과정에서 연구팀은 지구의 꾸준한 회전 신호를 분리하고 추출하는 데 어려움을 겪었다. 연구의 수석 저자인 라파엘레 실베스트리(Raffaele Silvestri)는 "문제의 핵심은 빛이 지구의 회전 효과에 영향을 받지 않는 측정 기준점을 설정하는 데 있다. 지구의 자전을 멈출 수 없다는 점을 고려하여 우리는 광섬유를 두 개의 동일한 길이 코일로 나누고 이를 광 스위치를 통해 연결하는 해결 방법을 고안했다"고 설명했다. 스위치를 켜고 끄는 방식으로 연구원들은 회전 신호를 마음대로 효과적으로 취소할 수 있었고, 이를 통해 대형 장치의 안정성도 확장할 수 있었다. 마리 퀴리 박사후 연구원으로 이 실험에 참여한 하오쿤 유(Haocun Yu)는 "빛으로 지구 자전을 처음 관측한 지 한 세기 만에 개별 빛의 양자의 얽힘이 마침내 동일한 감도 영역에 진입했다는 점에서 중요한 이정표가 될 것"이라고 말했다. 본 연구는 양자 얽힘 기반 센서의 회전 감도를 더욱 향상시킬 수 있는 토대를 마련했으며, 시공간 곡선을 통한 양자 얽힘의 행동을 테스트하는 미래 실험의 길을 열 것으로 기대된다. 참고 자료: '양자 얽힘을 이용한 지구 자전의 실험적 관측', Raffaele Silvestri, Haocun Yu, Teodor Strömberg, Christopher Hilweg, Robert W. Peterson 및 Philip Walther, 2024년 6월 14일, Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.ado0215
- 포커스온
2024-06-24
[신소재 신기술(57)] 영국 스타트업, AI로 희토류 없는 영구자석 개발

영국의 한 스타트업이 인공지능(AI)을 활용해 희토류를 사용하지 않고도 영구 자석을 제작했다. 런던에 본사를 둔 스타트업 머티리얼스 넥서스(Materials Nexus)는 영국 헨리 로이스 연구소 및 셰필드 대학교와 협력해 AI 기반 소재 발굴 플랫폼을 활용해 희토류 원소를 사용하지 않고 새로운 영구 자석인 '마그넥스(MagNex)'를 개발했다고 인터레스팅엔지니어링(IE)이 11일(현지시간) 보도했다. 영구 자석은 외부 에너지 공급 없이도 자기장을 유지할 수 있는 자석이다. 전자레인지 문이나 스피커, 하드디스크 드라이브뿐만 아니라 풍력 터빈 로터, 첨단 로봇, 전기자동차(EV)에 이르기까지 다양한 분야에서 사용된다. 현재 사용되는 영구 자석은 네오디뮴과 디스프로슘 등과 같은 희토류 광물을 사용해서 만들어진다. 이들은 매우 희귀하며 공급망 문제에 매우 취약한 광물이다. 머티리얼스 넥서스는 강력한 인공지능 모델을 활용해 기존 재료를 대체하거나 프로세스를 줄이는 새로운 재료를 설계해 산업생산 과정의 여러 문제를 해결하고자 했다. 새로 개발된 영구 자석 제작은 기존 프로세스보다 200배나 빨랐고, 탄소 배출량은 70%나 절감됐다. 조나단 빈(Jonathan Bean) 머티리얼스 넥서스 공동 설립자 겸 CEO는 "이 AI 기반 플랫폼은 원하는 물성을 지닌 원소 조합을 빠르고 체계적으로 주기율표에서 검색한다. 모든 데이터는 자체 양자역학 계산을 통해 생성되기 때문에 실험 데이터 세트보다 정확성과 범위가 넓다. 이 데이터는 기계 학습 알고리즘을 통해 입력되고 최적의 공식을 생성한다"고 설명했다. 1억개 이상 후보 물질 조성 연구팀은 이 기술을 희토류를 사용하지 않는 영구 자석 개발에 적용하여 1억 개 이상의 후보 물질 조성을 분석해 새로운 유형의 영구 자석을 제작했다. 보도자료에 따르면 연구팀은 3개월간의 설계 및 테스트를 거쳐 기존 방식 대비 20% 저렴한 소재 비용으로 마그넥스를 개발하는데 성공했다. 개발 속도는 기존 방식의 200배나 빨랐다. 셰필드 대학의 야금 및 재료 가공교수인 이안 토드(Iain Todd)는 "머티리얼스 넥서스와의 첫번째 협력이 이처럼 긍정적인 결과를 낳게 되어 매우 기쁘다"고 말했다. 토드 교수는 "재료 발견을 위해 AI를 사용하는 머티리얼스 넥서스의 접근 방식과 셰필드의 헨리 로이스 연구소에서 고급 합금을 제조하기 위해 보유하고 있는 세계적인 시설이 결합되어 새로운 자성 재료를 놀라운 속도로 개발할 수 있었다. 이 접근 방식의 추가적인 이점은 현재 사용 가능한 희토류 재료에 비해 탄소 배출량이 70% 감소한다는 것이다"라고 강조했다. 탄소 배출량 70% 감소 빈 CEO는 "AI 기반 재료 설계는 자기 뿐만 아니라 재료 과학 전체 분야에도 영향을 미칠 것"이라면서 "이제 우리는 모든 종류의 산업 요구에 맞는 새로운 재료를 설계할 수 있는 확장 가능한 방법을 확인했다"고 말했다. 그는 "마그넥스에 대한 소재 발굴 재료 검색에 3개월이 걸렸다. 데이터 세트와 기능을 확장함에 따라 검색 속도도 더욱 빨라질 것"이라고 IE와의 인터뷰에서 밝혔다. 빈은 또한 "이미 반도체, 촉매제, 코팅 등 다양한 제품 분야에 대한 광범위한 관심을 불러일으켰다. 점점 더 시급해지는 공급망과 환경 문제 해결을 위한 새로운 소재 개발에 시장 수요를 충족시키는데 우리 플랫폼이 어떤 역할을 할지 기대된다"고 덧붙였다. 마그넥스의 개발은 희토류 없는 영구 자석 제조 기술의 발전을 가속화하고 미래 청정 에너지 개발에 기여할 것으로 잔망된다.
- 포커스온
2024-06-12
[신소재 신기술(53)] 새로운 냉각 기술로 양자 컴퓨팅 시대 열린다

미국에서 획기적인 냉각 기술이 개발돼 절대 영도 도달 시간을 단축했다. 미국 정부기관인 국립 표준 기술 연구원(NIST) 연구팀은 획기적인 냉각 기술을 개발해 빅 칠(Big Chill)로 알려진 절대 영도에 근접한 초저온을 기존보다 훨씬 빠르고 효율적으로 달성할 수 있게 됐다고 라이브사이언스가 최근 보도했다. 이 기술은 양자 컴퓨팅, 천문학 등 중요 과학 실험에 필요한 준비 시간을 크게 단축 시킬 수 있을 것으로 기대된다. 절대 영도는 -273.15℃ 또는 0켈빈으로 표시되는 가장 낮은 온도를 의미한다. 이 온도에서 원자와 분자는 완전히 정지 상태에 있으며, 열 에너지가 전혀 존재하지 않는다. 절대 온도는 이론적 개념이며 실제로 실험적으로 달성하기에는 어렵다. 현재까지 절대 온도에 가장 근접하게 도달한 온도는 1999년 로듐을 활용한 냉각 기법으로 기록한 약 100피코켈빈이다. 과학 실험에 사용되는 민감한 전기 장비는 온도 변동과 같은 외부 노이즈의 간섭을 받지 않도록 절대 영도 근처의 초저온을 유지해야 한다. 하지만 기존 냉장 장치는 이러한 온도를 달성하는 데 배우 비용이 많이 들고 비효율적이었다. NIST 과학자들은 훨씬 더 빠르고 효율적으로 절대 온도를 달성할 수 있는 새로운 프로토타입의 냉장고를 제작했다. 염구팀은 이를 사용하면 연간 2700만와트의 전력을 절약하고, 전세계 에너지 소비를 3000만달러까지 줄일 수 있다고 주장했다. 이번 연구 결과는 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 저널에 게재됐다. 기존PTR 설계 개선해 초저온 달성 기존 가정용 냉장고는 액체 냉매가 저압 파이트(증발기)를 통해 순환하면서 열을 흡수해 내부를 냉각시키는 방식으로 작동한다. 냉매는 압축기를 거쳐 다시 액체 상태로 변환되면서 온도가 상승하고 이 열은 냉장고 뒷면을 통해 방출된다. 과학자들은 40년 이상 펄스 튜브 냉장기(PTR)를 사용해 초저온을 달성해돴다. PTR은 헬륨 가스를 이용해 유사한 과정을 거치지만 열을 훨씬 더 잘 흡수한다. PTR은 효과적이긴 하지만 에너지 소비가 많고 비용이 많이 들며, 냉각 시간이 오래 걸리는 담점이 있다. NIST 연구팀은 기존 PTR 설계 개선을 통해 냉각 시간을 단축하고 전체 비용을 낮출 수 있다고 밝혔다. 연구팀은 PTR은 기본 온도(보통 4 켈빈 근처)에서만 최적의 성능을 발휘하도록 설계되어 있어 전체 냉각 과정 중 상당 부분에서 비효율적으로 작동한다고 지적했다. 이에 NIST 연구팀은 압축기(컴프레서)와 냉장고 사이의 PTR 설계를 조정해 헬륨 가스 사용 효율을 높였다. 기존 방식에서는 헬륨 가스 일부가 순환 루트 대신 방출 밸브로 유출되면서 낭비됐다. 적은 비용으로 양자 컴퓨팅 구현 연구팀이 제안한 재설계에는 온도가 내려가면 수축하는 밸브가 포함돼 헬륨 가스 낭비를 방지할 수 있다. 이러한 개선으로 NIST 팀이 셜계를 수정한 PTR은 기존 방식보다 1.7배~3.5배 빠르게 초저온(빅 칠)을 달성했다. 연구팀은 이 새로운 기술을 통해 이탈리아의 희귀 현상 암흑 물질 연구소(CUORE)에서 수행한 실험 시간을 최소 1주일 단축할 수 있었다고 밝혔다. 이 연구소는 현재까지 이론상으로만 존재하는 방사성 붕괴 형태와 같은 희귀 현상을 연구하는데 사용된다. 정확한 연구 결과를 얻기 위해서 이러한 시설에서 배경 잡음을 최대한 줄여야 한다. 연구진은 이 새로운 방법을 사용하면 현재 이론적인 형태의 방사능 붕괴와 같은 희귀 사건을 찾는 데 사용되는 이탈리아의 극저온지하천문대(CUORE)에서의 실험 시간을 최소 일주일 이상 단축할 수 있다고 연구 결과에서 밝혔다. 이 시설에서 정확한 결과를 얻으려면 배경 소음을 최대한 줄여야 한다. 양자 컴퓨터도 비슷한 수준의 격리가 필요하다. 양자 컴퓨터는 양자 비트, 즉 큐비트(qubit)를 사용한다. 기존 컴퓨터는 정보를 비트(bit) 단위로 저장하고 1 또는 0의 값으로 데이터를 인코딩하여 순차적으로 계산을 수행하지만 큐비트는 양자역학의 법칙에 따라 1과 0의 중첩을 차지하며 계산을 병렬로 처리하는 데 사용할 수 있다. 그러나 큐비트는 매우 민감하기 때문에 열 에너지의 미세한 변동을 포함해 최대한의 외부 노이즈(배경 잡음) 차단이 필요하다. 연구팀은 이론적으로 가까운 미래에 훨씬 더 효율적인 냉각 방법을 달성할 수 있으며, 이는 양자 컴퓨팅 분야에서 더 빠른 혁신으로 이어질 수 있다고 말했다. 또한, 연구팀은 이 기술이 초저온을 달성하면서도 동시에 훨씬 저렴한 비용으로 초저온 산업에 도움이 될 수 있으며, 시간 집약적이지 않은 실험 및 산업 응용 분야의 비용을 절감할 수 있다고 덧붙였다.
- 포커스온
2024-06-03
SK텔레콤, 양자 기술 주요 기업들과 '퀀텀 얼라이언스' 창설

SK텔레콤은 양자 기술 분야에서 핵심 기술과 구성 요소를 가진 기업들과 손잡고 '퀀텀 얼라이언스'(가칭) 설립과 향후 협력을 위한 양해각서(MOU)를 체결했다고 7일 밝혔다. 영자 기술은 양자 역학의 원리와 특성을 활용하는 첨단 기술 분야다. 양타 컴퓨팅, 양자 통신, 양자 암호학, 양자 센싱과 측정 등이 이에 포함된다. 퀀텀 얼라이언스에는 SK텔레콤과 에스오에스랩, 엑스게이트, 우리로, 케이씨에스, 노키아, IDQ코리아 등 7개 기업이 참여한다. SK텔레콤에 따르면 에스오에스랩은 라이다(LiDAR) 기술을 전문으로 하는 기업으로 세계 최고 수준의 기술력을 보유하고 있다. 엑스게이트는 국내 가상사설망(VPN) 1위의 퀀텀 VPN 제공 기업이다. 우리로는 양자 기술의 핵심 부품인 단일광자 검출 소자(SPAD, 빛의 최소 단위인 단일광자를 검출할 수 있는 초고감도 광학센서로, 양자암호 통신의 중요 부품)에서 세계 선두를 달리고 있다. 케이씨에스는 하드웨어 기반의 암호화 모듈 분야에서 국내 최고 위치에 있다. SK텔레콤은 IDQ코리아는 양자 암호키 분배(QKD, 양자의 성질을 이용해 제삼자에 의한 정보 탈취를 근본적으로 방지하면서 암호키를 생성 및 배분하는 기술)와 양자난수생성(QRNG, 양자역학의 원리를 활용해 예측 불가능하고 패턴이 없는 순수한 난수를 생성하는 장치나 기술) 등을 포함한 양자통신 솔루션 분야에서의 선도 기업이라고 전했다. 또한, 세계적인 통신 장비 제조사 노키아가 퀀텀 얼라이언스의 일원으로 합류해 이 연합의 글로벌 영향력을 더욱 확대하고 있다. 회원사들은 양해각서에 따라 공동 사업 기회 발굴, 공동 마케팅, 정기 협의체 운영, 공동 투자 추진 등의 활동을 벌인다. 구체적으로, 사업 기회를 모색하기 위해 퀀텀 얼라이언스는 공공 사업 및 국가 프로젝트의 공동 수주, 기업 간 거래(B2B) 프로젝트에의 공동 참여 등을 추진할 뿐만 아니라, 회원사가 갖춘 양자 기술 및 솔루션을 결합해 신시장 개척에 나설 계획이다. 이러한 기업들은 올해 상반기 중에 얼라이언스의 공동 브랜드를 출시하고, 국내외 전시회에 함께 참가하는 한편, 핵심 양자 기술을 보유한 글로벌 기업들에 대한 공동 투자를 모색하는 등 활발한 활동을 예정하고 있다. 하민용 SK텔레콤 글로벌솔루션오피스 책임자(CDO)는 "퀀텀 얼라이언스의 창설이 국내 양자 산업의 경쟁력을 강화하는 중요한 기반을 마련할 것"이라고 말했다. 그는 또한, "앞으로도 국내외 선도하는 양자 기술 기업들과의 지속적인 협력을 통해 글로벌 시장으로의 진출을 적극 추진할 계획"이라고 밝혔다.
- IT/바이오
2024-03-07
테라퀀텀-포스코홀딩스, 퀀텀 AI로 제철 생산 혁신 가속화

포스코홀딩스가 양자 인공지능(Quantum AI)을 활용하여 탄소 배출 감소 및 철강 생산 강화에 착수한다. 스위스 취리히에 본거지를 둔 퀀텀 인공지능 기업 테라 퀀텀(Terra Quantum AG)은 한국의 철강 산업을 선도하는 포스코홀딩스와 협력하여 퀀텀 인공지능(AI) 기술을 활용하여 제철 생산의 효율성을 개선하고 지속가능한 발전을 이루는 데 기여할 협약을 체결했다고 현지 매체 그린카 콩그레스가 25일(현지시간) 보도했다. 양사는 퀀텀 신경망(Quantum Neural Networks)의 잠재력을 극대화하여 제조 효율을 증진시키고, 배출가스 및 에너지 소비 감소와 같은 구체적인 성과를 달성하는 것을 목표로 한다. 포스코는 2016년부터 제철 공정을 디지털화하고 빅데이터, 인공지능, 사물인터넷(IoT) 등의 첨단 기술을 제철 업무에 적용하여 생산성을 향상시켜 왔다. 테라 퀀텀은 양자 기술 분야에서 선도적인 유럽 기업 중 하나로, 고객에게 실질적인 양자 이점을 제공하는 종단 간 기술 플랫폼을 제공하는 데 중점을 두고 있다. 이 회사는 양자 컴퓨팅, 양자 알고리즘, 양자 보안 등 다양한 영역에서 '양자 서비스(Quantum as a Service)'를 제공한다. 2021년 테라 퀀텀의 시리즈A 펀딩 라운드는 양자 기술 분야에서 달성된 가장 큰 펀딩 라운드 중 하나였으며, 이 라운드의 확장으로 총 펀딩 금액이 7500만 달러(약 1000억 원)에 이르렀다. 자체 독점 양자 하드웨어를 포함한 양자 서비스 플랫폼을 구축하는 것을 목표로 하는 테라 퀀텀은 국제적인 전문가 팀을 보유하고 있으며, 과학, 학계, 산업 분야의 전문 지식을 결합해 양자 물리학의 가장 근본적인 문제를 해결하기 위해 노력하고 있다. 제철 분야 양자 컴퓨팅 활용 모색 테라 퀀텀과 포스코 홀딩스의 이번 협력은 제철 분야에서 양자 컴퓨팅의 활용을 모색하는 시발점이 될 것이다. 제철 산업은 고도로 복잡하고 에너지 집약적인 산업이다. 기존 제조 공정에서는 고온과 고압 환경으로 인해 변화가 심하고 측정하기 어려운 용광로를 사용한다. 테라 퀀텀은 시계열 예측과 종합 최적화를 통해 이러한 용광로의 효율성을 극대화하는 것을 목표로 한다. 개념 증명(PoC)을 위해 이 솔루션은 세계 최대 제철소인 한국 광양제철소 고로에 적용될 예정이다. 고로 운영 최적화에 딥테크 양자 기술을 활용해 배출가스와 비용을 크게 줄일 수 있는 용선율(RAR) 최적화 등 핵심 분야를 대상으로 한다. 테라 퀀텀 측은 이 프로젝트는 기존 최첨단 AI와 양자 레이어를 결합한 하이브리드 양자 신경망(Hybrid Quantum Neural Networks)을 활용해 포스코가 이미 개발한 첨단 AI 솔루션보다 더 나은 결과를 도출하는 것을 목표로 한다고 밝혔다. 퀀텀 인공지능, 미래 산업 재정의 한편, 퀀텀 인공지능(Quantum AI)은 양자 컴퓨팅 기술과 인공 지능(AI)을 결합한 분야로, 철강 산업을 비롯한 다양한 산업 분야에서 혁신을 가져올 잠재력을 지닌 첨단 기술이다. 양자 컴퓨터는 전통적인 컴퓨터와 달리 양자역학의 원리를 사용 데이터를 처리하며, 이를 통해 복잡한 계산을 훨씬 더 빠르게 수행할 수 있다. 퀀텀 머신 러닝은 양자 컴퓨터의 강력한 계산 능력을 활용하여 기존 인공지능 기술보다 훨씬 더 빠르고 정확하게 데이터를 분석하고 패턴을 인식할 수 있다. 그로 인해, 퀀텀 머신 러닝은 복잡한 데이터 세트를 효율적으로 처리하고 정확도를 높이는 능력을 갖추고 있어 연료 사용량과 운영 매개변수를 최적화하는 데 중요한 역할을 할 수 있으며, 이는 철강 생산에서 탄소 배출 감소와 전체적인 제철 생산 효율 향상으로 이어질 수 있다. 이러한 퀀텀 인공지능 기술은 철강 산업의 다양한 분야에 적용될 수 있으며, 용광로 운영 최적화, 제품 품질 향상과 새로운 소재 개발 효과를 기대할 수 있다. 먼저 퀀텀 머신 러닝을 통해 용광로의 내부 환경을 실시간으로 모니터링하고 분석하여 최적의 운영 조건을 찾아낼 수 있다. 이는 용광로의 효율성을 높이고 에너지 소비를 줄이는 데 기여할 수 있다. 또한 퀀텀 머신 러닝을 통해 제품의 미세한 결함을 예측하고 방지할 수 있으며, 이는 제품 품질을 향상시키고 불량률을 줄일 수 있다. 게다가, 퀀텀 머신 러닝을 통해 새로운 철강 소재를 개발하고 기존 소재의 성능을 개선할 수 있다. 이는 철강 산업의 경쟁력을 강화하고 새로운 시장을 창출하는 데 기여할 수 있다. 테라 퀀텀과 포스코홀딩스의 협력은 퀀텀 인공지능 기술을 철강 산업에 적용하는 선구적인 시도이며, 이번 협력을 통해 철강 산업의 혁신을 가속화하고 지속가능한 발전을 이루는 데 도움이 될 것으로 전망된다.
- 산업
2024-02-26
[퓨처 Eyes(22)] 초전도체 온-오프 스위치 개발, 혁신적 전력·통신 기술 기대

미국 과학자들이 온-오프 스위치가 있는 획기적인 초전도체 발견해 에너지 소비 감소의 길을 열었다. 최근 사이테크데일리 보도에 따르면, 워싱턴 대학교와 미국 에너지부(DOE) 산하 아르곤 국립연구소의 물리학자들이 온-오프 스위치 기능을 갖춘 새로운 초전도체를 발견했다. 초전도체는 특정 온도 아래에서 전기 저항이 완전히 사라지는 물질이다. 이 특징은 실제로는 매우 낮은 온도, 즉 절대 온도에 가까운 온도에서 유지되는데, 이를 초전도 상태라고 한다. 초전도체는 일반적으로 금속, 합금, 반도체 등 다양한 물질로 만들어질 수 있으며, 소수의 원자 또는 분자 구조에서 유래하는 특정한 전자-전자 상호작용이 초전도 상태를 유발한다. 따라서 초전도는 물질이 전류를 제로 저항으로 전달할 수 있는 양자역학적 상태로, 완벽한 전기 전송 효율을 가능하게 한다. 초전도체는 자기공명영상(MRI), 입자 가속기, 핵융합 반응로, 자기부상열차(마그레브 열차)와 같은 다양한 첨단 기술에서 강력한 전자석으로 활용된다. 또한, 초전도체는 양자 컴퓨팅 분야에서도 중요한 역할을 한다. 이 연구팀은 외부 자극에 반응하여 조절 가능한 독특한 특성을 지닌 초전도 물질을 개발, 에너지 효율적인 컴퓨팅과 양자 기술 발전에 기여할 수 있는 가능성을 제시했다. 이러한 발견은 첨단 연구 기법을 활용하여 이루어졌으며, 초전도 특성을 미증유의 방식으로 제어할 수 있는 능력을 통해 다양한 산업 응용 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대된다. 해당 물질은 향후 산업용 전자제품에서 초전도 회로로의 응용 가능성을 지니고 있다. 연구팀은 고급 광자 소스를 사용해 이 물질의 희귀한 특성을 검증함으로써 효율적인 대규모 컴퓨팅을 위한 새로운 길을 열었다. 산업용 컴퓨팅에 대한 수요가 증가함에 따라, 이에 대응하는 하드웨어의 크기와 에너지 소비의 증가는 주요 과제로 남아 있다. 이러한 문제에 대한 해결책 중 하나로, 에너지 소비를 크게 줄일 수 있는 초전도 소재의 개발이 주목받고 있다. 거대한 데이터 센터를 운영하는 서버의 온도를 대폭 낮춤으로써, 에너지 효율성을 극대화하여 대규모 컴퓨팅 작업을 수행할 수 있는 가능성을 제시했다. 초전도체란 무엇인가? 초전도체는 저항이 완전히 사라지는 특별한 물질을 말한다. 일반적인 전도체에서는 전기가 흐를 때 내부의 불순물이나 결정 구조 때문에 전자가 충돌하며 에너지를 손실하게 되는데, 이를 전기 저항이라고 한다. 이 저항으로 인해 전기 에너지가 열로 변환되어 손실된다. 그러나 초전도체는 특정 온도(임계 온도) 이하에서 전기 저항이 사라져 전기가 전혀 손실 없이 흐를 수 있게 한다. 초전도 현상은 1911년 헤이케 캄링 온네스에 의해 처음 발견되었으며, 이후 다양한 물질에서 초전도 현상이 관찰됐다. 초전도체는 그 특성으로 인해 많은 고급 기술과 응용 분야에서 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 초전도체를 이용하면 에너지 손실 없이 전기를 전송할 수 있으며, 매우 강력한 자기장을 생성할 수 있어 자기공명영상(MRI) 장비나 입자 가속기, 초전도 자석 등에 활용된다. 초전도체를 만드는 데 필요한 임계 온도는 물질에 따라 다르며, 초기에 발견된 초전도체는 극저온에서만 초전도 현상을 보였다. 그러나 1986년에 발견된 고온 초전도체는 비교적 높은 온도에서도 초전도 현상을 나타내 연구와 응용의 범위를 크게 확장시켰다. 고온 초전도체의 발견 이후, 상온에서 초전도 현상을 나타내는 물질을 찾기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 오늘날의 전자제품은 반도체 트랜지스터를 사용하여 전류를 빠르게 켜고 끄는 방식으로 정보 처리에 사용되는 2진법과 0진법을 생성한다. 이러한 전류는 전기 저항이 유한한 물질을 통과해야 하므로 에너지의 일부가 열로 낭비된다. 이것이 바로 시간이 지남에 따라 컴퓨터가 뜨거워지는 이유다. 초전도에 필요한 낮은 온도(보통 화씨 영하 200도 이상)로 인해 이러한 소재는 휴대용 장치에 사용하기에는 실용적이지 않다. 하지만 산업적 규모에서는 유용할 수 있다. 워싱턴 대학교의 슈아 산체스가 이끄는 연구팀은 뛰어난 조정 능력을 가진 특이한 초전도 물질을 조사했다. 이 결정은 철, 코발트, 비소 원자로 이루어진 초전도 층 사이에 강자성 유로피움 원자가 평평한 시트를 끼워 만든 결정이다. 산체스에 따르면 자연에서 강자성과 초전도를 함께 발견하는 것은 극히 드문 일이며, 일반적으로 한 단계가 다른 단계를 압도하기 때문이다. 산체스는 "초전도 층이 주변 유로피움 원자의 자기장에 의해 뚫리기 때문에 실제로는 매우 불편한 상황"이라며 "이것은 초전도를 약화시키고 전기 저항을 유한하게 만든다"고 말했다. 초전도 기술의 도전과 혁신 산체스는 아르곤에 있는 DOE 과학부 사용자 시설인 미국 최고의 X-선 광원 중 하나인 APS(Advanced Photon Source)에서 1년간 레지던트로 근무했다. 그곳에서 그는 DOE의 과학 대학원생 연구 프로그램의 지원을 받았다. 산체스는 APS 빔라인 4-ID 및 6-ID의 물리학자들과 협력하여 복잡한 물질의 미세한 세부 사항을 조사할 수 있는 포괄적인 특성화 플랫폼을 개발했다. 산체스와 공동 연구자들은 X-선 기술을 조합해 결정에 자기장을 가하면 '유로피움 자기장 선(europium magnetic field line)'이 초전도 층과 평행하도록 방향을 바꿀 수 있다는 것을 보여줄 수 있었다. 이렇게 하면 길항 효과가 제거되고 저항이 0인 상태가 나타난다. 과학자들은 전기적 측정과 X-선 산란 기술을 사용하여 물질의 거동을 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다. 논문의 공동 저자인 아르곤의 필립 라이언은 "초전도를 제어하는 독립적인 파라미터의 특성은 이 효과를 제어하는 완전한 방법을 계획할 수 있다는 점에서 매우 매력적"라고 말했다. 라이언은 "이 잠재력은 양자 장치의 전계 감도를 조절할 수 있는 능력을 포함하여 몇 가지 흥미로운 아이디어를 제시한다"고 설명했다. 그런 다음 연구팀은 결정에 응력을 가하여 흥미로운 결과를 얻었다. 연구팀은 자기장의 방향을 바꾸지 않고도 자성을 극복할 수 있을 정도로 초전도가 증가하거나 자기장의 방향을 바꾸어도 더 이상 제로 저항 상태를 만들 수 없을 정도로 약화될 수 있음을 발견했다. 이 추가 매개변수를 통해 자성에 대한 소재의 민감도를 제어하고 맞춤 설정할 수 있다. 산체스는 "이 물질은 여러 위상 간의 경쟁이 치열하고, 작은 응력이나 자기장을 가하면 한 위상을 다른 위상보다 높여서 초전도를 켜고 끌 수 있기 때문에 흥미롭다"고 말했다. 그는 "대부분의 초전도체는 쉽게 전환할 수 없다"고 강조했다. '전기의 고속도로' 초전도체 전기가 물을 통과하는 것처럼, 초전도체는 전기가 저항 없이 흐르도록 하는 '전기의 고속도로'라고 비유할 수 있다. 마찰 없이 움직이는 완벽한 롤러 스케이트처럼, 초전도체는 에너지 손실 없이 전기를 전달한다. 초전도체의 주요 특징은 다음과 같다. 초전도체는 전기 저항이 0이기 때문에 전류가 손실 없이 흐를 수 있다. 또한 초전도체는 외부 자기장을 완전히 배척하는 마이스너 효과를 나타내며, 외부 자기장에 반대되는 방향의 자기장을 형성하는 반자성을 띠고 있다. 앞으로 활용 분야가 다양한 초전도체는 전기 저항이 없기 때문에 전기를 손실 없이 먼 거리까지 효율적으로 송전하는 데 사용될 수 있다. 초전도체를 활용한 MRI 기계는 강력한 자기장을 생성하여 인체 내부를 상세히 이미징할 수 있는 기능을 제공할 수 있다. 또한, 초전도체를 사용한 마그레브 열차는 마찰이 없어 고속으로 운행될 수 있는 가능성을 제시한다. 마그레브 열차는 자기 부상 기술을 사용하여 레일과 접촉 없이 운행하는 열차다. '마그레브(Maglev)'는 '자기부상(Magnetic Levitation)'의 줄임말로, 강력한 자석을 사용하여 열차를 공중에 띄워 마찰을 거의 없애고 이동한다. 이 기술 덕분에 마그레브 열차는 기존의 바퀴를 사용하는 철도 시스템보다 훨씬 더 높은 속도로 운행할 수 있으며, 소음과 진동이 현저히 줄어들어 매우 부드럽고 조용한 탑승 경험을 제공한다. 마그레브 열차는 전기를 사용하여 강력한 전자기장을 생성하고, 이 전자기장이 열차를 들어 올리고, 추진하며, 안내하는 데 사용된다. 세계 여러 나라에서 이 기술을 연구하고 개발해 왔으며, 중국의 상하이 마그레브 열차와 일본의 초고속 마그레브 열차 시스템 등이 실제 운영되고 있는 대표적인 예다. 상하이 마그레브는 공항과 도심을 연결하는 노선으로 사용되며, 시속 430km에 달하는 속도로 운행된다. 양자 컴퓨팅 분야에서는 초전도체가 초전도 비트(큐비트·qubit)의 생성에 필수적인 역할을 한다. 큐비트 또는 퀀텀 비트는 양자 정보시스템에서 사용되는 최소 정보 단위로 0이나 1 뿐만 아니라 0과 1 어느 쪽도 확정 지을수 없는 상태까지 표현가능하다. 비록 초전도체 기술이 개발 초기 단계에 있지만, 이 기술은 미래 사회에 중대한 변화를 가져올 수 있는 높은 잠재력을 지니고 있다. 참조: '스트레인 전환 가능한 전계 유도 초전도' 작성자: Joshua J. Sanchez, Gilberto Fabbris, 최용성, Jonathan M. DeStefano, Elliott Rosenberg, Yue Shi, Paul Malinowski, Yina Huang, Igor I. Mazin, 김종우, 주준호 및 Philip J. Ryan, 2023년 11월 24일, 사이언스 어드밴시스. DOI: 10.1126/sciadv.adj5200
- 포커스온
2024-02-01
KIST, 표준 양자 한계 뛰어넘는 분산형 양자 센서 개발

한국과학기술연구원(KIST)은 16일 양자정보연구단 임향택 책임연구원 연구팀이 여러 공간에 분포된 다양한 물리량을 표준 양자 한계를 초과하는 정밀도로 측정할 수 있는 분산형 양자 센서 기술 개발에 성공했다고 밝혔다. KIST에 따르면 이 기술은 양자 중첩과 양자 얽힘과 같은 양자 현상을 활용하여, 서로 떨어진 위치에 있는 두 시계의 시각을 매우 정밀하게 측정할 수 있게 한다. 이번 연구는 중앙대학교, 한국표준과학연구원, 국방과학연구소, 그리고 미국의 오크리지 국립연구소와의 공동 연구로 진행되었으며, 그 결과는 지난 11일 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 게재됐다. 이 분산형 양자 센서는 서울과 부산 같이 물리적으로 떨어진 두 지점에 위치한 물리량을 얽힌 상태로 만들고, 두 물리량을 동시에 측정함으로써 전례 없는 높은 정확도를 달성한다. 이를 통해 고전 센서로는 달성하기 어려운 초정밀 측정이 가능해진다는 점에서 큰 의미를 가진다. 이러한 기술의 개발은 과학 및 기술 분야에서의 측정 정밀도를 획기적으로 향상시키고, 다양한 응용 분야에서의 새로운 가능성을 열 것으로 기대된다. 연구팀은 최근, 넓은 영역에 분산된 여러 변수들을 기존의 센서보다 높은 정밀도로 측정할 수 있는 분산형 양자 센싱 기술이 실제로 양자역학이 허용하는 최대 정밀도에 도달한다는 것을 실험적으로 증명했다. 연구팀은 양자 얽힘 상태인 벨 상태를 활용해 서로 멀리 떨어진 네 공간에 동시에 존재하는 중첩된 얽힘 상태를 구현했다. 이 연구에서 연구팀은 네 공간에 분산된 위상의 평균값을 동시에 측정했으며, 그 결과 고전적 한계를 뛰어넘는 2.2데시벨(㏈)의 감도를 달성했다고 밝혔다. 이는 기존의 고전적 센싱 방법들과 비교할 때 매우 높은 정밀도를 나타낸다. 더불어 연구팀은 측정 대상의 광자 수보다 적은 양의 자원을 사용하여도 분산형 양자 센싱 네트워크를 구축할 수 있는 방법을 제안하고, 이를 실험적으로 입증함으로써, 이 기술이 적은 자원으로도 효과적으로 활용될 수 있음을 보여주었다. 이러한 발견은 양자 센싱 기술의 실용적인 적용 범위를 넓히는 중요한 진전으로, 향후 다양한 분야에서의 응용 가능성을 열어줄 것으로 기대된다. 연구팀은 최근 개발한 분산형 양자 센싱 기술이 여러 위치에서 종합적인 정보 수집을 가능하게 함으로써, 떨어진 지역의 시각을 동기화하거나 초미세 암을 발견하는 등의 새로운 응용 분야를 개척할 수 있을 것으로 기대한다고 밝혔다. 이 기술은 멀리 떨어진 다양한 지점에서의 정보를 정확하게 수집하고 분석하는 데 큰 잠재력을 지니고 있다. 임향택 책임연구원은 "적은 자원을 사용해도 표준 양자 한계를 뛰어넘는 측정이 가능한 분산형 양자 센싱의 핵심 원천기술을 확보함으로써, 이를 실용적인 기술로 발전시키기를 기대한다"고 말했다.
- IT/바이오
2024-01-16
[퓨처 Eyes(10)]시간 여행, 과거로 돌아갈 수 있을까?…역방향 시간여행, 25%의 성공률

양자컴퓨터 기술이 발전되면서 시간 여행에 대한 주제가 꾸준히 거론되고 있다. 영화에서는 '백 투더 퓨처(Back to the Future)'에서 보는 것처럼 그동안 과거와 미래를 자유자재로 시간 여행을 하는 장면이 주로 묘사돼 왔다. 과학 기술 전문매체 디브리프(The DEBRIEF)는 지난 10월 13일 과학자들이 실제로 과거를 바꿀 수 있는 역방향 시간 여행을 25%의 확률로 성공적으로 시뮬레이션했다고 보도했다. 디브리프에 따르면 양자 영역의 특이한 특성을 활용하려는 과학자들은 역방향 시간 여행 방법을 성공적으로 시뮬레이션하여 25%의 성공률인 4번 중 1번은 사후에 사건을 변경할 수 있었다고 말했다. 반면, 영화처럼 시간을 거슬러 올라가는 역방향 시간 여행(과거로의 여행)은 현재 기술로는 불가능하다는 학설도 제기됐다. 영국 매체 데일리스타에 따르면 과학자들은 시간 여행을 개발하는 데 가까워지고 있는 것처럼 보이지만 시간 여행이 미래로 가는 한 방향으로만 가능하다는 설명이 나왔다고 전했다. 먼저 역방향 시간 여행 시뮬레이션을 일부 성공한 과학자들의 이야기를 살펴보자. 케임브리지 대학 연구팀은 타임머신 자체를 직접 만든 것은 아니지만, 과거에 일어난 사건을 사후에 변경하는 것이 물리학 원칙에 위배되지 않는다는 점을 강조했다. 케임브리지 히타치 연구소의 수석 연구원 데이비드 아비드슨-슈쿠르는 "누군가에게 선물을 보내고 싶다고 가정해 보겠다. 선물을 3일째에 도착하도록 하려면 첫날에 보내야 한다. 하지만 선물을 받을 사람의 위시리스트는 둘째 날이 되어야 받을 수 있다"고 설명했다. 선물을 받는 사람의 타임라인을 존중하려면 첫째 날에 선물을 보내야 한다. 하지만 아비드손-슈쿠르가 지적했듯이, 선물을 보내야만하는 첫째날이 아닌 둘째 날이 되어야 어떤 선물을 보낼지 알 수 있기 때문에, 선물 배송이 늦어지거나 잘못된 선물을 보내게 될 수 있다. 아비드손-슈쿠르는 "이제 둘째 날에 받은 위시리스트의 정보로 첫째 날에 보낸 선물을 변경할 수 있다고 상상해 보자"라고 말했다. 연구팀은 바로 이러한 현상이 역방향 시간여행 시뮬레이션 시나리오에서 일어날 수 있다고 말했다. 연구팀은 "저희 시뮬레이션은 양자 얽힘 조작을 사용하여 이전 행동을 소급하여 원하는 최종 결과를 얻기 위해 (선물을)어떻게 변경할 수 있는지 보여준다"라고 설명했다. 시간여행에 '양자 얽힘' 활용 '양자 얽힘'은 양자 입자 간에 특정한 기본적인 속성이두 개 이상의 입자에 의해 공유되는 현상으로, 한 입자의 속성을 변경하면 다른 입자에게도 동일한 변화가 발생한다. 케임브리지 대학 연구팀은 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)' 저널에 발표된 시뮬레이션을 통해 두 입자의 양자 얽힘 현상을 모의 실험했다. 실험이 끝난 후 입자들은 새로운 정보를 얻었으며, 이는 입자들의 행동 변화를 유발했을 것으로 추정된다. 미국 국립표준기술연구소(NIST)와 메릴랜드 대학의 연구원이자 이 연구의 공동 저자인 니콜 융거 할펀은 이러한 상황에서 "실험자가 두 번째 입자를 조작함으로써 첫 번째 입자의 과거 상태를 효과적으로 변경하여 실험 결과에 영향을 미친다"고 설명했다. 연구팀은 이 시뮬레이션에서 나머지 입자를 변경함으로써 과거에 일어난 일을 바꾼 것으로 보인다. 연구자들은 이러한 효과를 "놀라운 것"으로 평가했다. 그러나 이 실험은 새로운 정보를 통해 과거를 변경하는 성공률이 약 25%에 그치는 한계를 지니고 있다. 아비드손-슈쿠르는 이에 대해 "시뮬레이션이 실패할 확률이 75%라는 의미"라고 말했다. 그는 "선물의 비유를 계속 사용한다면 네 번 중 한 번은 원하는 선물(예: 바지 한 벌)을 받을 수 있지만, 나머지 세 번은 사이즈가 잘못된 바지이거나, 색상이 잘못되었거나, 원하지 않는 다른 선물(예: 재킷)이 될 수도 있다"고 설명했다. 다행히도, 시뮬레이션을 통해 실패 시점을 파악할 수 있기 때문에 연구자들은 시스템을 재조정하여 효율적으로 시간 여행을 실행하고 원하는 결과를 얻을 수 있다. 이 어려운 목표를 달성하기 위해, 연구팀은 이론적 실험자가 다양한 해결책을 제시한 후, 원하지 않는 75%의 결과를 쉽게 걸러낼 수 있는 필터를 사용하는 방안을 제안했다. 케임브리지 대학 캐번디시 연구소에서 석사 학위를 취득하는 과정에서 이 연구에 참여한 공동 저자 에이단 맥코넬 박사는 "첫째날에 많은 선물(예를 들어 4개)을 보낼 수 있으며 비용이 저렴하다고 가정해보자. 둘째 날에는 어떤 선물을 보내야 할지 정확하게 알 수 있다. 셋째 날 도착하는 소포 중 4개 중 1개가 원하는 선물일 것이다. 우리는 선물을 받는 사람에게 4개의 택배 중에서 원하는 선물이 든 택배 하나만 선택하고 필요 없는 택배 3개를 알려주어 반품을 유도할 수 있다"고 설명했다. 타임머신 아닌 역방향 시간 여행 시스템? 연구팀은 이번 연구가 양자 얽힘 현상에 근거한 성공적인 시뮬레이션은 맞지만, 여전히 시뮬레이션에 불과하다는 점을 강조했다. 그들은 과거의 실험 결과를 바꿀 수 있는 방법을 효과적으로 입증했을지라도, 이것이 최소 25%의 확률로 역방향 시간 여행을 가능하게 하는 것은 아니며, 이를 영화 '백 튜더 퓨처'에서 에밋 브라운(크리스토퍼 로이드 분) 박사가 만든 특정 플럭스 커패시터를 장착한 타임머신 '드로리안'과 비교해서는 안 된다고 언급했다. 아비드슨-슈쿠르는 "우리 연구의 목적은 시간 여행 기계를 제안하는 것이 아니라 양자역학의 근본을 더 깊게 이해하자는 것"이라고 말했다. 그는 "이 시뮬레이션을 통해 과거로 돌아가 과거를 바꾸는 것은 불가능하지만, 오늘의 문제를 해결하여 더 나은 내일을 만드는 데 기여할 수 있다"고 강조했다. 한편, 최근 데일리스타에 보도된 새로운 연구에 따르면 1985년 개봉한 영화 '백 투 더 퓨처'에서 주인공 마티 맥플라이(마이클 J. 폭스 분)처럼 시간을 거슬러 올라가는 것은 불가능하다고 밝혀졌다. 이는 단순히 영화 속 타임머신 차량인 드로리안을 구하기 어렵기 때문만이 아니라, 시간의 구조가 과거로 꺾이지 않기 때문이라는 것이 연구의 결론이다. "미래 시간 여행만 가능" 과학자들은 이 새로운 연구를 통해 실제로 시간을 거슬러 올라가는 개념을 배제하는 가능성을 확인했다. 이 연구에 따르면 과거로 돌아갈 수 없는 주된 이유는 빛과 물체 간의 관계 때문이라고 한다. 만약 이 연구 결과가 사실이라면, 역사를 바꾸기 위한 시간 여행은 가능하지 않을 것으로 보인다. 그러나 미래로의 여행은 여전히 가능하다고 알려져 있다. 핀란드 동부 대학의 마티아스 코이부로바 조교수는 물체 주위에서 빛을 전달하는 새로운 방법에 대한 연구 결과를 발표했다. 코이부로바는 "기본적으로 저는 1+1 차원에서 파동 방정식을 유도하는 매우 깔끔한 방법을 발견했다. 이 방법에서 중요한 가정은 파동의 속도가 일정하다는 것이다. 하지만 만약 속도가 항상 일정하지 않다면 어떨지 궁금했다. 이는 매우 흥미로운 질문이었다"라고 말했다. 인디100이 보도한 바에 따르면, 동료 연구자 보핀 마르코 오르니고티는 "이 연구가 '매우 유명한' 논쟁을 불러일으켜 '논란'을 야기했다"고 한다. 연구를 이끈 오르니고티 교수는 "물리학에는 '아브라함-민코프스키 논쟁(상대성 이론 우선권 논쟁)'이라고 불리는 매우 유명한 논쟁이 있다. 이 논쟁은 빛이 매질에 들어갈 때 그 운동량은 어떻게 되는가 하는 것이다. 민코프스키는 운동량이 증가한다고 주장한 반면, 아브라함은 운동량이 감소한다고 주장했다"고 설명했다. 영화나 소설 등 상상 속에서만 가능했던 시간 여행의 가능성을 열기 위해 과학자들은 이처럼 다양한 실험을 이어가고 있다. 현재 기술로 25%의 성공 확률로 역방향 시간 여행 성공을 바탕으로, 양자 컴퓨팅의 발전에 힘입어 향후 미래와 과거 쌍방향 시간 여행이 가능한 날이 올 것을 기대해 본다.
- 포커스온
2023-11-09
[퓨처 Eyes(3)] 양자 컴퓨터, AI·챗GPT보다 더 큰 기술 혁신 온다

미래 기술에서 양자 컴퓨터를 빼고 이야기할 수 없다. 양자 컴퓨터는 독특한 도전과제를 제시하고 전례 없는 연산 능력을 약속하는 최첨단 기술이다. 양자 컴퓨터는 양자역학의 원리를 이용하여 작동한다. 이진 논리(0과 1)와 순차적 계산으로 작동하는 기존 컴퓨터와 달리, 양자 컴퓨터는 무한한 수의 가능한 결과를 나타낼 수 있는 양자 비트, 즉 '큐비트(qubit)'라는 정보 단위를 사용해 계산을 수행한다. 이를 통해 양자 컴퓨터는 양자역학의 확률적 특성을 활용하여 엄청난 수의 계산을 동시에 수행할 수 있다. 인공지능(AI) 챗 GPT보다 더 큰 기술혁신을 몰고 올 것으로 기대되는 양자 컴퓨터의 장점은 첫째, 기존 컴퓨터보다 어떤 작업도 더 빠르게 수행할 수 있다. 양자 컴퓨터에서는 원자가 기존 컴퓨터보다 더 빠르게 움직이기 때문이다. 둘째, 높은 수준의 정밀도로 국가 보안 및 메가데이터 처리에 적합하다. 셋째, 에너지 낭비가 적다. 양자 컴퓨터는 아직 초기 단계에 있지만 암호화부터 신약 개발에 이르기까지 다양한 분야에 혁신을 가져올 잠재력을 가지고 있다. 양자 컴퓨터를 사용하면 부작용이 적고 더 효과적인 신약을 개발할 수 있다. 또한 IT 보안의 주요 도전 과제이기도 하다. 연구자와 기술 기업은 양자 컴퓨터의 성능을 견딜 수 있는 새로운 암호화 방법을 모색해야 한다. 여기에는 새로운 암호화 알고리즘을 개발하거나 양자역학의 원리를 사용하여 '양자 암호화'로 알려진 것을 만드는 게 포함될 수 있다. 프랑스 일간 경제지 라 트리뷘(LATRIBUNE)에 따르면 2030년까지 2000~5000대의 양자 컴퓨터가 작동할 것으로 보인다. 이 매체는 양자 컴퓨터 퍼즐에는 많은 조각이 있기 때문에 가장 복잡한 문제를 처리하는 데 필요한 하드웨어와 소프트웨어는 2035년 이후에나 존재할 수 있다고 전망했다. 또 대부분의 기업은 2035년까지 양자 컴퓨터를 통해 상당한 가치를 창출할 수 없겠지만, 일부 기업은 향후 5년 동안 이득을 볼 수 있을 것으로 내다봤다. 양자 컴퓨터 시장 규모는 2022년 약 10억 달러에서 2030년 80억 달러로 증가할 것으로 추정된다. 퓨처 아이즈에서는 양자 컴퓨터 작동 원리와 금융이나 생명공학, 공급망 등의 적용 분야, 향후 양자 컴퓨터 개발 과제 등을 점검해본다. 양자 컴퓨터의 작동 원리 1) 중첩 양자컴퓨터의 '중첩(Quantum superposition)'은 양자역학의 기본 원칙 중 하나로, 양자시스템이 두 개 이상의 상태를 동시에 가질 수 있다는 개념을 의미한다. 전통적인 컴퓨터에서 비트는 0 또는 1의 값을 갖는다. 그러나 양자컴퓨터에서 '큐비트'는 중첩의 원칙 덕분에 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있다. 이러한 특성은 양자컴퓨터가 복잡한 계산을 전통적인 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 수행할 수 있게 해준다. 2) 양자 얽힘 양자 얽힘은 큐비트가 서로 결합하여 한 큐비트의 상태가 다른 큐비트의 상태에 즉각적으로 영향을 미칠 수 있게 함으로써 큐비트 사이의 거리에 관계없이 큐비트를 연결할 수 있게 한다. 이 특성 덕분에 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터보다 복잡한 문제를 더 효율적으로 해결할 수 있다. 3) 양자 게이트 양자 게이트는 큐비트 집합에서 수행할 수 있는 연산이다. 양자 게이트는 고전 컴퓨팅의 논리 게이트와 유사하지만, 중첩과 얽힘 덕분에 양자 게이트는 가능한 모든 입력을 동시에 처리할 수 있다. 양자 컴퓨터의 적용 잠재력 양자 컴퓨터의 잠재력은 방대한 양의 정보를 병렬로 처리할 수 있어 기존 컴퓨터에 비해 계산 능력이 기하급수적으로 증가한다는 데 있다. 기존 컴퓨터는 한 사람의 경주 결과를 계산할 수 있지만, 양자 컴퓨터는 서로 다른 경로를 가진 수백만 명의 참가자가 참여하는 경주를 동시에 분석하고 확률 기반 알고리즘을 사용하여 가장 가능성이 높은 우승자를 결정할 수 있다. 양자 컴퓨터는 특히 여러 가지 확률적 결과가 나오는 최적화 문제와 시뮬레이션을 해결하는 데 적합하며 물류, 의료, 금융, 사이버 보안, 날씨 추적, 농업 등의 분야에 혁신을 가져올 수 있다. 양자 컴퓨터의 영향력은 지정학까지 확장되어 전 세계적으로 힘의 역학 관계를 재편할 수 있다. 양자 컴퓨터는 금융과 생명공학, 공급망 등 많은 산업 분야에 혁신을 가져올 것이다. ◇ 금융 금융 및 투자 산업은 양자 AI(퀀텀 AI)의 혜택을 크게 받을 수 있는 분야 중 하나다. 대량의 데이터를 실시간으로 분석할 수 있는 양자 AI 알고리즘은 금융회사가 보다 정보에 입각한 투자 결정을 내리고 리스크를 보다 효과적으로 관리하는 데 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 양자 AI는 시장 동향을 분석하고 주식, 채권 및 기타 금융상품의 움직임을 예측하는 데 사용될 수 있다. 이는 투자자가 투자 시점에 대해 더 많은 정보를 바탕으로 구매, 판매 또는 보유 결정을 내리는 데 도움이 될 수 있다. 또한 금융회사가 새로운 투자 기회를 파악하는 데도 도움이 될 수 있다. 양자 AI 알고리즘은 대량의 데이터를 분석하여 새로운 트렌드와 성장 가능성이 있는 산업을 파악할 수 있다. 이를 통해 투자자는 새로운 산업의 초기 단계에 진입하고 잠재적으로 상당한 투자 수익을 얻을 수 있다. ◇ 생명공학 양자 AI는 유전자 데이터와 기타 복잡한 의료 정보를 분석할 수 있는 능력을 통해 질병에 대한 새로운 치료법과 치료법을 찾아내는 데 도움을 줄 수 있다. 예를 들어, 양자 AI는 대량의 유전자 데이터를 분석하여 암과 같은 질병의 근본적인 원인을 파악하는 데 사용될 수 있다. 이는 연구자들이 이러한 질병을 유발하는 특정 유전자 돌연변이를 표적으로 하는 새로운 치료법을 개발하는 데 도움이 될 수 있다. 또한 의료진이 환자 개개인에게 맞춤화된 치료를 제공하는 데 도움이 될 수 있다. 양자 AI 알고리즘은 환자의 유전자 데이터를 분석하여 해당 환자의 특정 질환에 가장 효과적인 치료법을 찾아낼 수 있다. 이를 통해 의료진은 보다 효과적인 치료를 제공하고 환자 치료 결과를 개선할 수 있다. ◇ 공급망 및 물류 물류 및 공급망 관리는 양자 AI의 혜택을 크게 받을 수 있는 또 다른 분야다. 복잡한 물류 네트워크를 최적화함으로써 기업은 비용을 절감하고 효율성을 개선할 수 있다. 양자 AI는 배송 경로와 배송 시간을 분석하여 가장 효율적인 상품 운송 방법을 파악하는 데 사용될 수 있다. 양자 AI 알고리즘은 판매 데이터 및 기타 요인을 분석하여 제품 수요를 예측하고 기업이 재고 수준을 최적화할 수 있도록 도울 수 있다. 이를 통해 기업은 낭비를 줄이고 수익성을 개선할 수 있다. ◇ 기후 및 환경 모델링 양자 AI는 기후 및 환경 모델링에도 큰 영향을 미칠 수 있다. 연구자들은 대량의 환경 데이터를 분석함으로써 기후 변화의 영향을 더 잘 이해하고 그 영향을 완화하기 위한 전략을 개발할 수 있다. 양자 AI는 위성 데이터를 분석하여 해수면 변화를 추적하고 해수면 상승이 해안 지역 사회에 미치는 영향을 예측하는 데 사용될 수 있다. 또 기상 조건을 분석하고 허리케인이나 토네이도와 같은 자연재해의 발생 가능성을 예측하는 데에도 사용될 수 있다. 양자 컴퓨터의 개선점 양자 컴퓨터는 큐비트 수정과 양자 오류 등의 수정, 양자 알고리즘 개발 등이 문제점으로 거론된다. 이를 개선하면 양자 컴퓨터는 상상할 수 없는 혁신적인 단계로 접어들 것으로 보인다. 1) 큐비트 개선 양자 컴퓨팅의 기본 단위인 큐비트는 고전적인 비트에 해당한다. 연구자들은 양자 정보를 보다 안정적으로 저장하고 조작할 수 있는 더 안정적이고 일관된 큐비트를 개발하기 위해 노력하고 있다. 초전도 큐비트, 갇힌 이온 기반 큐비트, 광자 기반 큐비트 등 다양한 기술이 연구되고 있다. 2) 큐비트 수 증가 양자 계산의 규모와 복잡성은 사용 가능한 큐비트 수에 따라 달라진다. 연구자들은 더 강력한 양자 알고리즘을 실행하기 위해 큐비트 수를 크게 늘리고자 한다. 큐비트 수가 많은 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터로는 접근할 수 없는 계산을 수행할 수 있게 해준다. 3) 양자 오류 수정 양자 시스템은 노이즈, 간섭, 불안정성 등의 요인으로 인해 오류가 발생하기 쉽다. 양자 오류 수정은 양자 오류를 감지하고 수정하는 기술을 개발하여 실제 시스템에서 양자 계산의 신뢰성을 보장하는 것을 목표로 하는 활발한 연구 분야다. 4) 양자 알고리즘 연구원들은 양자 컴퓨터에서 실행되도록 설계된 특정 알고리즘을 개발하기 위해 노력하고 있다. 이러한 알고리즘은 양자 속성을 활용하여 기존 알고리즘보다 복잡한 문제를 더 빠르게 해결한다. 유망한 양자 알고리즘의 예로는 쇼 인수분해 알고리즘, 그로버 검색 알고리즘, 양자 시뮬레이션 알고리즘 등이 있다. 5) 양자 머신 러닝과 양자 인공 지능의 사용 연구자들은 양자 시스템의 고유한 특성을 활용할 수 있는 새로운 머신러닝 및 인공 지능 알고리즘을 개발하기 위해 양자 컴퓨팅의 활용을 모색하고 있다. 6) 양자 클라우드 서비스의 부상 큐비트 수와 일관성 시간이 증가함에 따라 많은 기업이 사용자에게 양자 클라우드 서비스를 제공하여 자체 양자 컴퓨터를 구축하지 않고도 양자 컴퓨팅의 성능을 이용할 수 있도록 하고 있다. 7) 양자 오류 수정의 발전 양자 컴퓨터를 실질적으로 유용하게 사용하려면 계산 중에 발생하는 오류를 최소화하는 양자 오류 수정 기술이 필요하다. 이 목표를 달성하기 위해 많은 새로운 기술이 개발되고 있다. 양자 컴퓨팅은 아직 개발 초기 단계에 있으며, 널리 사용 가능하고 상업적으로 실행 가능한 양자 시스템이 현실화되려면 많은 기술적 과제를 극복해야 한다. 하지만 이러한 혁신 분야의 지속적인 발전은 가까운 미래에 양자 컴퓨팅에 대한 흥미로운 전망을 열어줄 수 있다. 양자 컴퓨팅은 새로운 논리 패러다임으로 인해 프로그래밍에 완전히 다른 접근 방식이 필요하다. 이 기술의 잠재력을 효과적으로 활용하려면 불확실성과 반복적인 휴리스틱 접근 방식을 수용하는 것이 필수적이다. 그러나 양자 컴퓨팅의 한 가지 중요한 과제는 오류 확률을 높이지 않고 여러 큐비트를 연결해야 한다는 점이다. 이는 양자 컴퓨팅 기술의 상업적 성장을 가로막는 중요한 장애물로 남아 있다. 양자 상태를 저하시키는 디코히어런스를 피하기 위해 큐비트를 실제 환경으로부터 격리해야 한다는 현실적인 제약이 있다. 현재는 극도로 낮은 온도로 냉각하는 것이 격리에 사용된다. 현재 진행 중인 연구에서는 양자 프로세서의 확장성과 상업적 실용성을 높이기 위해 포토닉스 및 다양한 소재를 포함한 다양한 방법론을 모색하고 있다. 또한 양자 컴퓨터는 '1000큐비트'의 강력한 성능이 필요하다. 지난 10년 동안 양자 컴퓨팅은 괄목할 만한 발전을 이루었다. 예를 들어 IBM은 2017년에 50큐비트 칩을 출시했으며, 2019년에는 특정 계산에서 가장 빠른 기존 슈퍼컴퓨터를 능가하는 성능을 보였다고 주장했다. 1000큐비트 양자 컴퓨터 개발 경쟁이 이미 진행 중이며, 더 많은 발전이 기대된다. 양자 컴퓨터의 잠재력을 최대한 발휘하려면 오류 수정 큐비트의 개발이 필수적이다. 현재의 양자 프로세서는 하나의 오류 수정 큐비트를 구현하기 위해 상당한 수의 표준 큐비트가 필요한 경우가 많다. 그러나 이 문제는 향후 몇 년 내에 해결될 것이라는 낙관적인 전망이 나오고 있다. 현재 거론하는 양자 컴퓨터에 대한 단기적인 전망은 과장된 것일 수 있지만, 장기적인 결과는 판도를 바꿀 가능성이 높다. 다양한 분야에서 전 세계적으로 관심이 높아지면서 상당한 자본이 투입되고 있으며, 향후 몇 년 동안 놀라운 실용적 혁신이 이루어질 수 있는 기반을 마련하고 있다. 양자 컴퓨터는 전례 없는 연산 능력을 제공하고 다양한 산업과 분야에 혁명을 일으켜 세상을 변화시킬 수 있는 가능성을 지니고 있다. 아직 해결해야 할 과제가 남아 있지만, 양자 기술의 지속적인 발전은 언제든 획기적인 발전이 일어날 수 있음을 시사한다. 양자 컴퓨터의 잠재력을 활용하면 모든 첨단 기술 중에서 가장 영향력 있는 기술이 되어 우리 사회에 큰 발전을 가져올 것으로 기대된다.
- 포커스온
2023-09-14