[생활속 과학이야기] 양자컴퓨터의 미래, 우라늄

손원혁 한국원자력연구원 선임연구원

우리는 현재를 일컬어 종종 0과 1의 비트(bit)로 이뤄진 디지털 시대에 살고 있다고 표현한다. 하지만 조금 먼 미래에는 중첩의 시대에 살고 있다고 표현할지도 모르겠다. 선진국들은 이미 0과 1이 중첩돼 존재하는 양자 상태를 이용하는 양자컴퓨팅 기술을 국가 미래 산업으로 선언하면서 적극적 투자를 아끼지 않고 있다.

우리나라도 2030년까지 양자기술의 4대 강국 진입을 선언함과 동시에 2023년 1000억원 규모의 연구 예산을 책정하며 양자컴퓨터를 포함한 양자기술에 대한 투자를 가시화했다. 그렇다면 중첩의 시대를 개막할 양자컴퓨팅 기술이 무엇이고, 어디까지 왔으며, 앞으로 어떻게 될까?

머리카락 한 올의 백만 분의 1 크기(0.1 nm)의 아주아주 작은 물질들, 즉 양자의 세계에서 물질은 파동이면서 동시에 입자로 존재한다. 이때 양자 세계의 파동성이 앞서 말한 중첩 상태의 열쇠다.

수면에 두 개의 돌을 던져 물결을 일으키는 상상을 해보자. 두 개의 물결이 시간에 따라 서로 합해지거나 상쇄될 텐데, 양자의 세계에서는 이 물결 모양을 정보로 이용한다. 양자의 중첩 현상은 0과 1의 연산을 동시에 진행할 수 있게 하고, 이를 이용한 연산 단위를 큐비트(Qubit, Quantum bit)라고 부른다. 큐비트의 중첩성은 비트를 순차적으로만 연산할 수 있는 트랜지스터에 비해 연산 속도에서 유리하다.

그래서 양자컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 훨씬 뛰어난 분야가 있는데, 최적화 경로 탐색과 소인수분해가 대표적이다. 예를 들어 복잡한 함정이 있는 미로의 출구를 찾고자 한다면, 기존 컴퓨터는 모든 경로를 하나씩 계산해서 비교해야 한다. 하지만 양자컴퓨터는 다양한 변수와 경로를 동시에 비교할 수 있어서 최적화된 경로를 찾아내는데 시간을 단축할 수 있다.

2019년 말 구글에서 슈퍼컴퓨터로 1만 년이 걸리는 계산을 양자컴퓨터로 200초 만에 풀어냈다고 발표해 세계를 깜짝 놀라게 했다. 이때 양자컴퓨터에는 50개를 조금 넘는 큐비트 회로를 사용했는데, 적어도 수십억 개의 트랜지스터를 사용하는 슈퍼컴퓨터와 비교하면 얼마나 효율성이 좋고, 속도가 빠른지 알 수 있다.

이처럼 양자컴퓨팅 기술은 나날이 발전하지만, 기대와 다르게 가까운 시일 내에 양자컴퓨터가 기존 컴퓨터를 대체하기는 힘들 것 같다. 양자 잡음에 의한 연산 오류 문제가 있기 때문이다. 양자 잡음은 아주 약한 외부 자극이 양자역학적 원리와 함께 큐비트에 작용해 신호를 교란하는 현상을 말한다.

현재는 양자 잡음을 해결하기 위해 양자회로 구성이나 오류 보정 알고리즘 수준에서 접근하고 있다. 하지만 근본적인 문제 해결을 위해선 양자 잡음에 강한 소재가 필요하고, 이를 해결할 가장 유력한 후보는 위상 큐비트(Topological qubit)다. 위상 큐비트는 양자 상태가 위상이라는 특수한 물리적 상태를 만나 양자 잡음의 영향을 받지 않는다.

마이크로소프트는 실용화의 미래를 내다보고 위상 큐비트를 구현한 양자컴퓨터 개발에 투자하고 있다. 비록 현재까지 성공적 성과를 내지는 못했으나, 성공만 한다면 곧바로 실용화 단계를 선점할 수 있는 의미 있는 도전이다.

위상 큐비트의 유력한 후보 소재 중 우리에게 친숙한 의외의 이름을 찾아볼 수 있었는데, 바로 우라늄이다. 최근 연구에 따르면 우라늄을 이용한 화합물에서 나타나는 스핀-삼중항 초전도라는 현상이 위상 큐비트를 구현할 수 있는 원리가 된다는 것이다. 우리는 우라늄을 친환경 원자력 발전 연료로만 알고 있었으나, 우라늄은 의외로 양자의 영역에서도 연구 가치가 있었다.

앞으로 진행될 양자 기술의 발전에서 우라늄 화합물이 어떤 역할을 하게 될지 기대해보면서, 우라늄이 에너지원이자 동시에 기술의 지평을 넓히는 팔방미인이 되는 미래를 꿈꾸어본다.