물리학에서나 나올 법한 '양자'가 세계적 주목을 받고 있습니다. 개념조차 낯선 양자 기술 전쟁은 일찌부터 시작됐고 세계 양자시장 규모는 연평균 20% 이상 성장세를 보이고 있습니다.
양자는 불연속적인 입자성과 중첩이 가능한 파동성을 동시에 갖는 개체를 뜻하는데, 에너지나 운동량이 불연속적인 물리량 현상 전반을 의미합니다. 이 특성을 활용해 컴퓨터나 통신, 센서 등 정보기술에 적용하는 기술을 '양자과학기술'이라고 부릅니다. 양자암호통신은 초기 상용화 단계, 양자 센서는 늦어도 9년 뒤 양자 컴퓨터의 경우에도 15년 안에는 열릴 것으로 분석됩니다. 세계가 주목한 이유는 무엇인지, 우리 수준은 어느 정도 일까요?

■ '꿈의 컴퓨터'라 불리는 양자 컴퓨터... 국내에서 2026년까지 50큐비트급 나올까?


양자컴퓨터는 연산 방법의 기본 원리부터가 다릅니다. 양자 컴퓨터는 '큐비트'이라고 하는 것을 연산에 사용합니다. 큐비트는 퀀텀 비트('Quantum bit')를 줄인 말입니다. 이 단위로 0 과 1에서 중첩된 경우의 수를 만들어낼 수 있습니다. 상용화된 양자컴퓨터는 슈퍼컴퓨터가 1만 년 정도 걸릴 문제를 200초안에 풀어낼 수 있다는 평가가 나올 정도로 복잡한 계산의 빠른 연산이 강점입니다.

2의 50 제곱 규모의 정보를 처리할 수 있는 50큐비트는 슈퍼 컴퓨터를 뛰어 넘는 기준점이 됩니다.

이용호 한국표준과학연구원 초전도양자컴퓨팅시스템연구단장에게 정부가 50큐비트급을 최우선 목표로 삼은 이유에 관해 묻자 "50큐비트 절대적 기준은 아니지만 50큐비트급이 실용화되면 슈퍼 컴퓨터로 풀 수 없는 문제를 푸는 하나의 출발점이 될 수 있다"며 "100큐비트, 200큐비트로 가기 위한 하나의 고속도로가 만들어진다"고 설명했습니다.

지난해 정부가 발표한 양자과학기술전략을 봐도 2026년까지 50큐비트급, 31년 내에 1,000큐비트급 그리고 35년까지 상용화를 하겠다는 게 목표입니다.

■ 정부 목표 "기술력, 선진국의 85% … 인력 2,500명까지 늘린다"

지난해 정부가 발표한 양자과학기술전략에서 정부가 발표한 양자 컴퓨팅 체계에서는 큐비트 수와 큐비트의 신뢰도 등이 핵심입니다. 현재 올 연말까지 20큐비트급 양자컴퓨터가 구현될 전망입니다. 아래는 시연 영상 일부입니다.


이 단장이 보여준 현재 시험 중인 20큐비트급에 들어가는 칩입니다. 낮은 온도를 유지해야 하기 위해 냉각기에서 구동됩니다. 제 손바닥만 한 이 칩이 민관 기술 협업의 집약체입니다.

정부는 12대 국가 필수 전략 기술로 이런 양자컴퓨팅과 통신, 센서 등이 포함된 양자 분야를 선정해 연구개발과 투자전략을 발표했습니다.


정부가 양자기술에 주목하는 이유는 양자기술은 기술 패권 시대의 게임체인저로 꼽히기 때문입니다.지구상에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터가 1만 년 걸리는 계산을 200초 만에 해결할 수 있다는 평가를 받는 양자컴퓨터는 차세대 혁신 기술 분야입니다. 양자기술을 활용하면 차기 통신, 암호·보안, 컴퓨터 등 많은 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대됩니다.

함재균 한국양자산업협회 사무국장은 "상용화되면 우리가 강점을 보이는 제조업이나 AI 기술 개발, 신약개발 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다"고 설명했습니다.

■ 전문가들 " 외국과 비교해 인력 절실… 상용화되면 활용도 많아"

해외에서는 정부 차원에서 돕고 기업들은 투자에 나서 양자 컴퓨터 개발에 속도를 내고 있습니다. IBM, 구글, 마이크로소프트 등 빅테크 기업들은 수백만 달러를 투자하고 있습니다. MS는 양자기술을 활용해 신재료를 찾기도 하고 중국에서는 72큐비트급 양자컴퓨터칩이 나오기도 했습니다.

지난해 발간된 양자정보기술백서를 보면 지난해 미국은 양자 기술에만 2조 원 가까운 예산을 투입했지만 우리 예산은 지난해 9백 억 원 정도였습니다. 후발 주자인 만큼 인력도 부족합니다. 현재 연구 인력이 400여 명 정도 입니다.

이용호 단장은 "구글이 2019년에 내놓은 양자 관련 논문 저자만 7, 80명"이라며 "현재 우리는 관련 기초 분야를 연구하는 인력을 다 모아도 그 정도"라고 말했습니다.

2035년까지 민간투자까지 합쳐 3조 원을 투입해서 현재 양자 기술력을 선도국의 85% 수준까지 끌어올려 양자 시장 점유율을 4위까지 만들겠다는 게 정부 목표입니다. 보안 체계까지 무력화시킬 수 있다는 양자 기술이 바꿔놓을 사회를 그리기엔 아직은 먼 미래 같지만 선점 경쟁은 이미 막이 올랐습니다.

[글, 사진 = KBS 뉴스 2024년 1월 14일 자 황정호 기자 기사 스크랩]

국내 연구기관 주도의 국제 연구팀이 양자컴퓨터 상용화를 앞당길 수 있는 핵심 기술을 개발해, 국제 학술지 '사이언스(Science)'에 실렸다고 KBS 한국방송 김유대 기자가 전했다.

방송 보도에 따르면 양자컴퓨터는 주요 선진국과 빅테크 기업들이 주목하는, 일명 '꿈의 컴퓨터'로 미국은 차세대 핵심 기술 중 하나로 양자 컴퓨터를 꼽고 있다.

조 바이든 행정부는 자국 자본의 중국 투자를 금지 또는 규제하는 행정명령에 인공지능(AI), 첨단반도체와 함께 양자컴퓨팅 분야도 포함했습니다. 반면 동맹국들과는 양자 기술 개발 협력에 적극적으로 뛰어들었다.

중국 역시 양자컴퓨터 개발에 막대한 자본을 투자하며 미국 등 다른 나라를 위협할만한 기술 경쟁력을 확보해 나가고 있다.

우리나라도 2035년 '양자경제 중심국가' 도약을 목표로 잡고 있습니다. 양자 산업 세계 시장 점유율을 10%까지 끌어 올리고, 관련 인재도 현재의 7배인 2,500명 수준으로 육성하겠다는 전략이다.

■슈퍼컴 1만 년 걸릴 문제, 단 200초 만에 해결

양자컴퓨터가 꿈의 컴퓨터로 불리는 이유는 현재 최고의 연산 능력을 보유한 슈퍼컴퓨터를 훌쩍 뛰어넘는 성능 때문이다.

슈퍼컴퓨터가 1만 년 걸려야 해결할 수 있는 난수 문제를 양자컴퓨터는 단 200초 만에 풀어낼 수 있는 수준이다.

압도적인 성능의 비결은 양자컴퓨터의 원리에서 찾아볼 수 있다.

현재 컴퓨터의 정보 단위는 '0' 또는 '1'로 표현되는 비트(bit) 다. 동전의 앞면 또는 뒷면으로 상태를 나타내는 것이다.

그런데 양자 시스템에선 '0'또는 '1'이 각각 존재하는 것뿐만 아니라 '0'과 '1'이 동시에 존재하는 '중첩(겹치기) 상태'가 가능하다. 그만큼 현재의 컴퓨터보다 훨씬 빠른 속도로 연산 처리가 가능하다.

이러한 양자 정보의 단위는 큐비트(qubit : quantum bit)라고 한다.

■양자컴퓨터 상용화의 핵심 '큐비트'

양자컴퓨터를 상용화하기까지 가장 핵심 기술 중 하나가 바로 이 '큐비트'를 어떻게 설계하고 표현하느냐인데, 이번에 국제 연구팀의 성과는 바로 '큐비트 설계'에 있다.

그동안 각국의 연구진들이 초전도접합, 이온트랩, 양자점, 양자위상상태 등을 이용한 다양한 큐비트 설계 방식을 제시했지만, 정밀한 제어가 어렵다거나 신뢰도가 떨어지는 등의 단점을 갖고 있었다.

이런 상황에서 정부출연연구기관인 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학연구단은 일본, 스페인, 미국 연구팀과의 국제 공동연구를 통해 새로운 큐비트 설계 방식을 제시해 주목받고 있다.

■ 전자스핀 큐비트…"원자 단위서 정밀 제어"

기초과학연구원의 안드레아스 하인리히 연구단장(이화여대 석좌교수) 등 연구진은 얇은 절연체(산화마그네슘) 표면 위에 여러 개의 티타늄 원자들이 놓인 구조의 큐비트 플랫폼을 제시했다.

주사터널링현미경(STM)이란 탐침 장비를 이용해 각 원자의 위치를 정확하게 조작해서 여러 원자 스핀들이 상호 작용할 수 있는 복수 티타늄 원자 구조를 만드는 게 핵심이다.

이후 센서 역할을 할 티타늄 원자(센서 큐비트)에 탐침을 두고 원격제어 방식으로 센서와 원거리에 놓인 여러 큐비트(원격큐비트)들을 하나의 탐침으로 동시에 제어하고 측정한다.

이러한 방식은 큐비트 간 정보 교환을 원자 단위에서 정밀하게 제어할 수 있다는 게 장점이다.

앞서 나왔던 해외 연구진의 큐비트 설계방식에서 단점으로 지적된 '정밀성 문제'를 상당 부분 해결할 수 있다.

공동 교신저자인 박수현 연구위원은 " 원격으로 원자를 조작하면서 여러 개의 큐비트를 동시에 제어할 수 있다는 것은 놀라운 일"이라며 "이전까지는 표면에서 단일 큐비트만 제어할 수 있었던 반면, 이번 연구를 통해 원자 단위에서 복수 큐비트 시스템을 구현했다"고 강조했다.

10억 분의 1미터 크기인 '나노'보다 더 작은 '원자' 단위에서 큐비트 여러 개를 동시에 제어하는 방식이기 때문에, 이 기술을 더 발전시키면 궁극적으로는 소형화된 양자컴퓨터 개발에 초석이 될 수 있다고 연구진은 설명했다.

■"기존 한계 뛰어 넘는 큐비트…양자 새 시대 가능성"

또한, 가장 작은 크기의 큐비트를 이용해 양자집적회로를 구현할 수 있다는 점에서 기존 큐비트 방식들과도 차이가 있다.

초전도체 등 특정 재료가 필요한 방식(초전도접합)과는 달리 다양한 원자를 큐비트 재료로 쓸 수 있는 것 역시 경쟁력으로 꼽힌다.

공동 교신저자인 배유정 연구위원은 " 전자스핀 큐비트 플랫폼을 수십, 수백 큐비트까지 확장할 수 있다"며 "한국이 세계를 선도하는 새로운 플랫폼을 만들어 양자정보과학의 새 시대를 열고, 혁신을 견인할 수 있다는 가능성을 보여줬다"고 말했다.

 

양자 과학·산업 육성 근거 마련…“양자법 국회 통과”(2023년 10월 6일 전현우 기자 보도)

양자 과학 기술 연구 기반을 조성하고 관련 산업을 육성하기 위한 법적 근거가 마련됐다고 KBS 한국방송 전현우 기자가 소개했했다.

방송 보도에 따르면 과학기술정보통신부는 6일 ‘양자 과학기술 및 양자 산업 육성에 관한 법률’이 국회를 통과했다며, 이같이 밝혔다.

법률에는 양자 과학기술과 산업을 육성하기 위해 종합계획을 수립하고 기술개발과 상용화를 촉진하는 내용이 담겼다.

아울러 국무총리를 위원장으로 한 20인 이내 양자전략위원회를 만들고, 양자 기술 육성을 위한 종합계획을 5년마다 수립하도록 했다.

또 양자 과학기술 인력 양성 지원과 함께 특화 인력양성을 담당할 대학과 대학원 등 전문 교육기관도 선정해 지원할 수 있도록 했다.

이와 함께 양자 과학기술 파급력이 국가에 미치는 영향을 분석하고 기술 발전에 따른 보안 위협 대응 방안도 마련하도록 했다.

이번 법률은 향후 국무회의 의결을 거쳐 공포되며 공포 1년 후 시행된다.

과기정통부는 “법률 제정으로 양자 과학기술과 산업 도약의 제도적 기반이 마련됐다”면서 “정부는 양자 통신·센서·컴퓨터 기술·산업 육성과 생태계 조성이 가속화될 수 있도록 최선을 다하겠다”고 밝혔다.

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