▲ KRISS 양자기술연구소 (좌측부터)

이재훈 원자양자센싱그룹 책임연구원, 최재혁 양자기술연구소 소장, 차진웅 양자소자그룹 선임연구원

양자 그리고 측정표준

“양자역학을 제대로 이해하는 사람은 이 세상에 아무도 없다” 양자 전기역학의 발전에 기여한 공로로 업적으로 노벨물리학상을 수상한 리처드 파인만의 말이다. 인공지능과 함께 미래 게임 체인저로 불리는 양자기술. 귀에 익숙하지만 잘 와닿지 않는 분야가 양자역학이다. 

이재훈 책임연구원  “사실 양자역학은 쉽게 설명한다는 것 자체가 불가능해요. 이해 못하는 게 정상이고요. 다만 한 가지 얘기하고 싶은 건 터치스크린이나 기타 양자역학, 양자기술이라며 나오는 것들 중 상당수가 사실 양자와 직접적인 관련이 없다는 점이에요. 정확하게 표현하자면 ‘양자적인 이해를 바탕으로 개발한 기술’이라고 하는 게 맞죠.” 

양자역학에 대해 설명해달라는 질문에, 설명이 힘든 이유부터 언급하는 이재훈 책임연구원이다. 최대한 쉽게 표현해 보자면, 양자는 모든 물리량의 최소단위의 양을 뜻하며 이 미시세계의 현상을 다루는 학문이 바로 양자역학이다. 한편 초창기 양자역학은 원자를 이해하기 위한 학문으로 시작했지만 최근에는 양자현상을 활용하기 위한 학문으로 방향이 옮겨졌다. 양자얽힘을 이용한 양자암호와 양자 얽힘과 중첩을 이용한 양자컴퓨터는 양자역학의 발전을 통해 가장 기대되는 활용분야로, 이들은 양자정보기술이라는 명칭으로 불리고 있다. 

최재혁 소장  “지금 양자정보기술 분야에서 연구되고 있는 것들은 반도체보다 한 차원 진화된 기술입니다. 반도체가 단순하게 양자현상을 활용한 기술이라면, 현재는 원자 하나하나의 양자 상태를 제어할 수 있는 기술을 개발하는 단계로 발전했죠.”

최재혁 소장은 개별 원자의 양자 상태를 제어하는 것이 결국 컴퓨터 연산이라고 설명하면서, 제어를 위해서는 반듯이 측정이 필요하다고 강조한다. 

차진웅 선임연구원  “양자기술을 개발한다는 것은 가장 작은 에너지 단위를 측정하고 제어한다는 뜻이에요. 측정표준 연구자들은 오랫동안 미세한 에너지 단위를 정밀하게 측정하고 제어하는 연구를 해왔고, 양자컴퓨터를 실현하려면 정확한 계산 결과를 도출해야 하는데 그런 면에 있어서 결국 양자컴퓨터의 근간에는 측정표준이 있다고 말할 수 있습니다.”

차진웅 선임연구원의 말을 들어 보니 양자기술에 있어 측정표준이 왜 중요한지 와닿는다. 

비장의 무기는 내공과 협력

이재훈 책임연구원  “인간이 가장 정확하게 측정할 수 있는 물리량이 바로 시간이에요. 시간의 단위를 정의하는 것이 원지시계이고요. 그런데 원자시계가 1초라는 시간의 단위를 만들 때 사용되는 것이 바로 양자정보기술이에요.”

KRISS의 양자기술 연구성과를 말할 때 빼놓을 수 없는 것이 원자시계이다. KRISS는 원자의 양자 상태를 이용한 시간 및 주파수 표준에 있어 세계적인 능력을 보유하고 있다. 무려 145억 년에 1초밖에 틀리지 않을 정도의 정확성이다.

원자시계가 양자센싱 영역이라면 양자통신 영역에서는 양자암호통신장비 인증 테스트배드를 구축·운영 중으로, 국내 양자암호통신장비 기업들을 위한 시장 창출에 기여하고 있다. 

최근 가장 이슈화되고 있는 양자컴퓨팅에 있어서는 모듈형 양자컴퓨터 개발에 박차를 가하고 있다.  

최재혁 소장  “지난해 IBM은 10만 큐비트(양자 정보의 기본 단위) 양자컴퓨터를 10년 내에 개발하겠다고 선언했는데요, 큐비트 개수가 얼마이냐보다 중요한 것은 큐비트와 큐비트를 연결하는 기술입니다. 해외 선진 연구그룹에 비해 우리는 출발이 늦고 인력도 상대적으로 부족한 게 사실이지만, 오랫동안 양자 측정에 있어서 오랜 연구 경험과 실적이 있고 우수한 연구자들이 힘을 합치고 있기에 비전은 충분하다고 생각합니다.”

KRISS는 50큐비트급 초전도 양자컴퓨팅시스템을 개발하고 있으며, 양자연구분야에서는 원자단위의 측정과 제어능력이 연구의 핵심이다. 양자얽힘 즉 두 개 이상의 큐비트가 서로 연결되어 한 큐비트의 상태 변화가 즉각적으로 다른 큐비트에 영향을 미치는 현상으로 인해 노이즈가 발생하는데 이를 잘 측정하는 기술이 필요하다. 양자기술연구소는 이를 위해 차세대 양자네트워크를 위한 핵심 소자 개발과 고전 센서의 한계를 극복하는 중력과 관성, 시간주파수, 전기장과 자기장, 광학 등 양자 센싱 기술을 개발할 예정이다. 

이러한 계획의 연장선상에서, 글로벌TOP전략연구단 출범에 대응한 전략 또한 마련하고 있다. KRISS 양자기술연구소는 한국전자통신연구원(ETRI), 한국원자력연구원(KAERI), 한국과학기술정보연구원(KISTI), 한국과학기술연구원(KIST) 등과 멀티 플랫폼 분산형 양자시스템 핵심기술을 개발하는 과제를 ‘글로벌TOP전략연구단 지원사업’에 제안하여 1차 평가를 통과했다. 

퀀텀 점프를 위한 발걸음

양자컴퓨팅에서 IBM과 같은 글로벌 기업들의 기술력이 앞서 있지만 지금 결승선에 도달한 사람은 아무도 없기에 결과는 누구도 장담할 수 없다. 

KRISS 양자기술연구소가 격차를 뛰어넘기 위해 선택한 전략은 협력이다. 국내 산학연은 물론 해외의 우수한 연구그룹들과 힘을 합쳐 퀀텀 점프를 해내겠다는 것이 양자기술연구소의 포부이다. 

차진웅 선임연구원  “초전도 큐비트와 같은 양자컴퓨팅 플랫폼간 장거리 양자네트워크 기술은 아직 그 누구도 구현하지 못한 기술이다 보니, 바람은 KRISS가 최초가 되는 것이죠. 경쟁상대들도 뛰어나지만 가능성은 열려 있다고 생각합니다. 양자 분야는 아직 결론이 나지 않은 영역이기에 KRISS가 하루빨리 세계 수준에 올라설 수 있도록 열심히 노력하겠습니다.”

이재훈 책임연구원  “세계적 수준으로 인정받는다는 것은 훌륭한 논문을 쓰는 것일 수도 있지만 실제 산업계나 국민의 삶에 적용하는 것도 중요하다고 생각해요. 저는 조금 더 실질적으로 적용 가능한 양자기술을 만들어서 양자 세계와 사람들 사이의 다리를 놓는 역할을 하고 싶습니다.” 앞서나가는 경쟁자들이 존재하지만 아직 결승점에 도달한 사람은 없다. 내재한 역량과 협력을 통해 양자기술 분야의 글로벌 탑을 잡겠다는 KRISS 양자기술연구소의 전략이 어떤 결과로 이어질지 기대된다. 이들의 멋진 승부를 응원한다.