- KRISS 사보 봄호 특집 인터뷰 -

 

 ▲ KRISS 사보 봄호 표지

 

 ▲ KRISS 사보 봄호 특집 인터뷰 표지

 

  

과거 아인슈타인은 “신은 주사위 놀이를 하지 않는다”라는 말을 남기며 양자역학의 불확실성을 인정하지 않았다. 미국의 물리학자인 리처드 파인만 역시 “양자역학을 완벽하게 이해한 사람은 아무도 없다”고 이야기할 만큼 양자역학의 세계를 난해하게 받아들인 시대도 있었다. 하지만 과학자들의 끊임없는 노력 덕분에 양자기술의 가치가 인정받기 시작했고, 이제 산업 판도를 흔들게임 체인저로 주목받고 있다. 그 미래를 준비하는 연구자들을 만나본다.

 

 

 

  

▲ KRISS 양자기술연구소 초저온원자양자연구팀

한정호 선임연구원(좌), 문종철 책임연구원(우)

 

 

양자혁명 어디까지 왔나? ‘양자시뮬레이터’ 구현 기술

 

주요 선진국들이 과학기술의 우위를 확보하기 위해 국가 차원의 패권 경쟁을 펼치고 있다. 우리나라도 양자기술의 중요성을 인식하고 미래 필수전략기술로 선정해서 역량을 결집하고 있는 상황. KRISS는 양자기술연구소를 통해 양자 분야의 핵심 기술을 개발하고 기존 한계를 넘는 미래혁신산업 기틀을 마련하기 위해 노력하고 있다.

 

이중 초저온원자양자연구팀에서는 절대 0도에 가까운 수준으로 냉각된 원자를 활용, 원자 고유의 순수한 물리적 성질을 파악하고 이를 양자기술에 응용하는 연구를 담당하고 있다. 상온에서의 원자는 열적 잡음이 높아 측정과 제어가 어렵지만 초저온으로 냉각하면 순수한 양자역학적 성질을 띠게 되는데 이를 양자시뮬레이션에 이용하려는 것이다.

(문종철 책임연구원) “양자 시뮬레이터란 우리가 현재 사용하고 있는 고전 컴퓨터가 계산하기 어려운 난제들을 좀 더 효율적으로 풀 수 있는 기술을 뜻하는데요. 특수한 목적의 양자컴퓨터라고 생각하시면 됩니다. 연구의 목적은 양자다체모델이라고 불리는 양자문제를 푸는데 있죠. 이를 해결하면 물질의 특성을 예측, 신물질 개발의 가이드라인으로 이용될 수 있습니다.”

 

양자컴퓨터 구현 방식은 디지털 방식(큐비트를 정보처리의 기본단위로 하는 양자병렬처리를 통해 다수의 정보를 동시에 처리)과 아날로그 방식(특수하게 제작된 계산도구로써 특정 문제 해결에 용이)으로 나눌 수 있는데 연구팀은 현재 아날로그 방식의 양자 시뮬레이터의 하드웨어를 구축하고 있다.

▲ 초저온원자양자연구팀은 절대 0도에 가까운 수준으로 냉각된 원자를 활용,

원자 고유의 순수한 물리적 성질을 파악하고 이를 양자기술에 응용하는 연구를 담당하고 있다.

 

 

(한정호 선임연구원) “최근에는 초저온 원자 기반 양자 시뮬레이터의 최신 형태인 ‘양자기체현미경’을 제작하고 있는데요. 양자기체현미경을 이용하면 광격자에 담긴 초저온의 원자들을 하나씩 관측하거나 제어할 수 있어서 양자물성 연구에 큰 도움이 될 수 있습니다. 최근 초저온 원자들을 광격자에 담는데 성공했고 다음 단계로 현미경의 성능을 구체적으로 시험할 예정입니다.”

 

 

연구팀은 이런 연구개발을 통해 다체계 양자물성의 중심원리를 밝히고, 검증하여 새로운 물질과 신소재를 개발할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

눈에 보이지 않는 원자의 미시 세계를 다루는 사람들, 이들은 왜 이런 어려운 연구에 빠진 것인지 궁금했다. 한정호 선임연구원은 대학교 때 우연히 양자컴퓨팅 수업을 듣게 되면서 양자기술에 매료돼 이 길을 선택했다고 회상했다.

(한정호 선임연구원) “사실 일상생활에서는 양자효과를 느낄 기회가 거의 없거든요. 하지만 실험실에서는 직관적으로 이해가 어려운 양자현상을 직접 눈으로 경험할 수 있습니다. 그 두 세계를 이어주는 것이 양자기술의 매력이라고 생각합니다.”

 

문종철 책임연구원 역시 이론적인 수준에서 머물 것 같았던 교과서적인 양자현상을 실험적으로 다룰 수 있다는 점에서 흥미로운 분야라고 손꼽았다

(문종철 책임연구원) “양자기술 연구가 대두되기 전까지는 양자역학적 현상을 실험으로 직접 다루는 것이 제한적이었는데요. 연구 노력 끝에 이제는 우리 입맛에 맞게 원자를 디자인해서 응용할 수 있다는 점이 신기하고, 뿌듯하기도 합니다.”

 

머릿속으로만 상상했던 공상과학이 양자시스템을 통해 현실화되는 것에서 보람을 느끼는 연구자들. 앞으로의 계획을 묻자 한정호 선임연구원은 단기적으로 “세계 최고의 양자 시뮬레이터를 만들어서 실생활에 도움이 되는 연구를 하고 싶다”고 밝혔다. 문종철 책임연구원 역시 “세계 최고 그룹 중에 하나가 되도록 노력하겠다”면서 의지를 다졌다.

 

 

 ▲ KRISS 양자기술연구소 초저온원자양자연구팀

안병무 선임연구원(좌), 서준호 책임연구원(중), 구자승 선임연구원(우)

 

 

Never Ever Give Up! ‘양자하이브리드’ 확보를 위한 노력

 

양자정보기술에 대한 관심이 커진 덕분에 막중한 책임감을 느낀다는 연구자들. 그 응용분야가 넓어지고 있는 상황에서 KRISS의 초전도양자시스템팀은 초전도 양자회로와 역학적 진동자 기술 기반 소자 연구에 집중하고 있다

(서준호 책임연구원) “저희 팀은 초전도 큐비트, 공진기 등 마이크로파 대역 양자회로를 기반으로 양자하이브리드로 대표되는 다기능 양자정보 시스템의 기반기술을 확보하기 위해 노력하고 있습니다. 여기서 양자하이브리드 기술은 서로 다른 물리적 양자 시스템을 연결하여 새롭게 확장된 양자 정보 처리 기능을 구현하는 개념으로, 양자정보를 활용하려는 모든 분야에 기여할 여지가 많다고 생각합니다.”

 

최근 연구팀에서는 2년여 간의 연구 끝에 세계최초로 ‘니오븀(Niobium) 초전도 나노전기역학 소자’를 개발하고 그 특성을 검증하는데 성공했다. 니오븀은 온도와 자기장 같은 주변 환경의 영향을 상대적으로 덜 받기 때문에 양자컴퓨터용 소자, 고정밀 스핀감지 기술 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.

 

팀에 새롭게 합류한 구자승·안병무 선임연구원은 마이크로파 영역에서 광자를 통해 양자 정보를 실어 보낼 수 있는 초전도 기술을 담당하며 연구에 매진하고 있다.

(구자승 선임연구원) “저는 초전도 나노와이어(nanowire) 시스템을 연구하던 중, ‘이를 초전도 큐비트로 활용할 수 있지 않을까?’하는 호기심에 초전도 큐비트 연구를 시작하게 되었습니다. 현재는 단일·2큐비트의 새로운 측정 방식 연구와 냉동기·마이크로 웨이크 측정 장치 셋업을 담당하고 있습니다.”

(안병무 선임연구원) “저는 원자물리를 공부했는데 원자 한 두 개가 점차 모여 그것이 하나의 거시적인 역학 시스템이 되면 원자 효과가 나타나지 않을까라는 호기심을 갖게 되면서 초전도 큐비트 분야를 선택하게 됐습니다. 연구팀에 합류한 것은 두 달 정도 됐는데 큐비트를 측정하고 컨트롤 할 수 있는 시스템을 구축하는 데 매진하고 있습니다.”

 

 

▲ 초전도양자시스템팀은 초전도양자회로와 역학적 진동자 기술 기반 소자 연구에 집중하고 있다.

  

팀장인 서준호 책임연구원은 지난 시간을 떠올리며 한 가지 교훈을 얻었다고 말했다.

(서준호 책임연구원) “처음 계획단계의 예상과 달리 소자를 구현하는데 많은 난점을 마주했습니다. 이런 문제를 극복하기 위해 많은 시간과 노력을 쏟아 부 었는데요. 결국 제 포스닥 시절 지도교수님이 늘 이야기했던 Never Ever Give Up!이 연구의 정답처럼 느껴졌습니다.”

 

초전도양자시스템팀은 이런 결과에 안주하지 않고 꾸준히 연구를 발전시켜 나가겠다는 포부를 밝혔다. 더불어 양자 정보를 기반으로 한 정보처리 및 전송 기술의 국가 안보적 측면이 대두되고 있는 만큼 양자기술의 발전으로 얻어진 막대한 정보 역량이 일국의 이익만을 위해 활용되지 않고 인류 모두의

미래를 위해 쓰였으면 좋겠다는 바람도 전했다

 

 

성큼 다가온 양자 패권 시대, 정부출연연구기관의 역할은?

 

실체가 모호했던 양자기술의 상용화가 현실이 되고 있다. 2019년 미국의 구글이 1만 년 걸리던 연산을 단 200초 만에 해결했다며 양자우위를 달성했다고 밝혔고, 중국 역시 양자우위 달성 소식을 전하며 소리 없는 전쟁을 예고했다. 하지만 양자 세계를 향한 과학자들의 마라톤은 이제 시작일지도 모른다. 그만큼 복잡하고 누가 승기를 잡을지 예상하기 어렵기 때문이다.

 

문종철 책임연구원은 양자기술은 자원이 없는 나라에서도 충분히 승부를 볼 수 있는 분야라면서 그런 차원에서 정출연의 역할이 중요하다고 강조했다. 우수한 인재들이 연구를 포기하지 않도록 양자기술의 허브로써 과학기술 인력을 확보해야 한다는 것이다.

(문종철 책임연구원) “세계적으로 양자 분야를 선도하는 몇 개의 국가들이 있고, 우리나라도 뒤따라가는 중입니다. 일류가 될 수 없다고 포기하는 순간 외국에 모든 기술을 의지할 수밖에 없기 때문에 국가차원의 육성이 필요한 것이죠. 그런 차원에서 정출연의 역할이 중요하다고 생각합니다. 우수한 인재들이 연구를 포기하지 않도록 정출연이 과학기술 인력을 확보해 나갔으면 좋겠습니다. 정출연에는 버릴 수 없는 원천기술들이 있거든요. 그런 기술을 활용해서 산·학 간 징검다리 역할을 수행해야 한다고 생각합니다.”

 

한정호 선임연구원 역시 신진연구자들이 연구를 할 수 있는 자리가 부족하다고 덧붙이며 자신처럼 관심 분야에서 연구할 수 있는 기회가 확대되길 소망했다.

(한정호 선임연구원) “미국만 해도 양자 관련 스타트업이 많거든요. 우리나라는 스타트업은 전무하고 정출연이나 대학 정도로 일자리가 제한적이라서 연구할 곳이 부족합니다. 양자기술의 경쟁력을 갖기 위해서 연구개발 인력을 위한 자리가 더 많아지면 좋겠습니다.

 

서준호 책임연구원은 양자정보기술에 대한 열풍이 과학적인 관심으로 이어졌으면 좋겠다는 생각을 밝혔다.

(서준호 책임연구원) “이제 양자세계의 심오한 현상을 우리 손으로 제어할 수 있는 가능성이 열리고 있거든요. 지식의 진보가 일어나는 셈인데 이런 일에 동참하고 싶어하는 사람들의 관심이 더 늘었으면 좋겠습니다.”

(구자승·안병무 선임연구원) “양자기술에 대한 관심도가 높다는 것은 그만큼 많은 분들이 중요성을 인식하고 있다는 것이니까 감사하다고 생각합니다. 다만 먼 미래만 바라보기 보다는 작은 성과라도 조금씩 만들어가는 것이 중요하겠죠.”

 

인류의 미래를 바꿔놓을 꿈의 기술을 확보하기 위해 노력하는 연구원들. KRISS 양자기술연구소는 국가측정표준 대표기관 으로서 막중한 책임감을 갖고 국가 양자기술산업의 토대를 만들기 위해 오늘도 연구를 이어가고 있다.