양자컴퓨터 시대를 찾아가는 미로, 그 흥미로운 모험
KRISS 양자측정센터 정연욱 박사팀 

21세기 인류 문명에 있어 가장 중요한 요소 중의 하나로 꼽히는 양 자컴퓨터는 양자역학이라는 독특한 원리에 의해 작동되는 미래 컴퓨터이다. 현재의 컴퓨터와는 차원이 다른 새로운 첨단 컴퓨터를 구현하기 위한 연구가 진행되고 있으며, 최근 해외의 몇몇 연구 그룹에서는 양자컴퓨터의 실현이 멀지 않아 가능한 단계에 도달 했다고 주장한다. 하지만 양자컴퓨터의 완전한 실현까지는 아 직도 극복해야 할 난제들이 많이 남아 있다. 단일양자 수준의 측정· 제어기술 확보는 양자컴퓨터가 완성되기 위해 반드시 풀어야할 숙제. KRISS 양자측정센터 정연욱 박사팀은 초전도 현상을 이용해 그 실마리를 찾아가고 있다. 

꿈의 컴퓨터를 실현하는 사람들
양자컴퓨터라는 단어는 우리에게 낯설지 않다. 정확한 개념은 모르 지만 양자컴퓨터가 실현되면 복잡한 암호가 쉽게 풀리고, 게놈 분석 이 앞당겨지고, 기상관측의 정확도가 혁신적으로 높아질 거라고 한 다. 슈퍼컴퓨터로 수억 년이 걸려도 풀지 못하는 문제들을 단 몇 십 분 만에 풀 수 있게 된다고 한다. 그런데 이런 ‘꿈의 컴퓨터’가 정말 실현될까? 사실 확답은 힘들다. 하 지만 분명 도전할 가치가 있기에 세계 과학자들이 양자컴퓨터 실현 이라는 목표를 좇고 있다. 실패하지 않을 도전만 했다면 인류는 이미 세상에서 사라졌을지도 모를 일이다.

KRISS 양자측정센터 초전도 큐비트 연구팀은 말 그대로 ‘꿈’일 뿐 일지도 모를 양자컴퓨터 실현을 위한 기초기술(단일양자 수준의 측 정·제어기술)을 개발하고 있다. “양자컴퓨터는 아직 아무도 성공하 지 못한 연구예요. 이 말은 실패할 가능성도 있고, 어쩌면 세상에 필 요 없을 수도 있다는 뜻이죠. 하지만 이렇게 미래가 불확실함에도 연 구할 가치는 분명히 있다고 생각합니다.”

과거 우리나라 연구기관들은 이미 선진국이 개발한 기술을 국산화 하는 연구에 집중했다. 한참 뒤에서 따라갔다. 이 말은 누군가 앞서이루어 낸 연구, 성공가능성이 큰 연구를 해왔던 것이다. 그런 의미 에서 정연욱 박사팀은 매우 도전적이고 과감한 연구를 하고 있다. 결과에 대한 성공 가능성이 아닌, 순수하게 연구 자체의 가치를 보 고 뛰어든 것이다.

후발주자의 즐거운 추격
“정확히 말하면 양자컴퓨터를 개발한다기 보다는 그 핵심요소는 큐 비트의 측정제어 기술을 개발하는 연구입니다. 사실 원래 제안했던 주제는 잡음온도계 개발이었어요. 그런데 잡음온도계를 개발하는 과정에서, 잡음온도계를 개발하면서 확보한 기술을 초전도 양자컴 퓨터에 응용할 수 있다는 걸 알게 됐어요. 그게 온도를 극저온으로 낮추면서 초고주파 신호를 매우 정밀하게 측정하는 기술인데, 저희 팀이 갖고 있는 아주 전문적이고 특별한 테크닉이죠.”

절대 영도보 다 불과 7/1000 ℃ 높은, 매우 낮은 온도를 만들면서 동시에 매우 높 은 주파수 신호를 정밀하게 측정하는 능력에 있어서 KRISS의 초전 도 큐비트 연구팀은 세계적으로 높은 수준에 있다. 더불어 고진공상 태를 구현하고 소자를 제작하는 등 양자컴퓨터 기술을 개발하는데 필요한 기반 기술을 모두 자체적으로 확보하고 있다.

하지만 엄밀하게 정연욱 박사팀은 양자컴퓨터 분야에서 후발주자 이다. 입지를 확보하기 위해서는 먼저 출발한 팀들보다 몇 배 더 빨 리 나아가야 한다. “제가 박사과정을 할 때 지도교수님께서 자유방 임(?) 스타일이셨어요. 긴 목표를 주고 자유롭게 연구하도록 놔두고 지켜보셨죠. 그래서 행복하게 학위를 했던 것 같아요. 물론 단계마 다 목표가 있기 때문에 팀원들을 독촉할 때도 있지만 전체적으로는  조금 긴 호흡을 갖고 가려는 생각이에요. 한 단계 한 단계 이뤄나가다 보면 결코 늦지 않을 거라 생각해요.”

과학계에서 연구는 ‘우리가’ 하지 않으면 ‘누군가’가 하기 마련이다. 이미 오래 전부터 미국, 일본 등 양자컴퓨터 연구를 해온 연구그룹도 얼마든지 있다. 그들도 멈춰 있지 않고 더 앞서나가고 있기 때문에 조바심이 들기도 하지만 따 라잡기 위해 서두르기보다는 멀리 보고 한 단계 한 단계 나아가자 는 게 이들의 마음가짐이다.  

팀의 장점을 묻는 질문에 연구생들은 “ 자율적으로 연구하면서도 언제든 질문하고 상의할 수 있어 동기부 여가 되고 자립심이 길러진다”, “일일이 가르쳐주시지 않아도 박사 님들과 함께 실험을 하면서 문제 해결방법을 자연스럽게 배운다”며 세계적으로도 앞선 첨단 장비 등 우수한 연구환경과 함께 자율적인 연구 분위기를 꼽았다. 늘 ‘새로운 것’, ‘최초’를 지향하는 과학이지만, 정연욱 박사팀은 서두르고 추격하기보다는 오랜 시간 쌓아온 기초를 디딤돌 삼아 한발 한발 올라서고 있다.     

어렵지만 즐거운 최초의 길
“3단계에서는 그동안의 성과를 모아서 업그레이드 시킬 계획입니다. 1, 2단계 연구를 통해 구축된 시스템을 기반으로 기존에 할 수 없었던 실험들을 통해 새로운 과학적 현상들을 발견하는 것이죠.” 정연욱 박 사팀의 초전도 큐비트 기반기술 개발은 총 9년의 기간 중 올해로 7년 차에 접어들었다. 처음 과제가 채택됐을 당시, 이들에게는 아무런 인 프라도 없었다. 그러나 가능성을 바라보고 첫 발을 내딛었고, 그렇게 한 걸음씩 목표에 다가갔다. 이들은 남아있는 기간도 ‘데드라인’에 연 연하지 않고 지금까지 그래온 것처럼 긴 호흡으로 연구에 임하려고 한다.  

“그게 ‘뭐다’라고는 말 할 수 없지만 양자컴퓨터 실현을 위한 결 정적인 한 가지를 해내고 싶어요. 2015년 쯤 저희 팀의 연구결과 덕 분에 양자컴퓨터 실현이 3년 앞당겨졌다, 그런 일이 실현되길 바랍니 다” 정연욱 박사팀의 초전도 큐비트 프로젝트는 적지 않은 실패 가능 성을 안고 출발했다. 하지만 실패하지 않을 도전만 했다면 현재의 인 류는 없었을 것이다. 지도는 없다. 하지만 누군가는 그 최초의 길을 가야 한다. 양자측정센터 초전도 큐비트 연구팀은 부푼 기대를 안고 그 모험의 길을 걸어가려 한다.