한국 연구진 상온 양자컴 구현소재 찾았지만...“내년 추가 연구 불투명”

한국원자력연구원 첨단양자소재연구실 김재욱 박사가 고품질의 TbInO3 단결정을 합성하기 위해 사용되는 레이저 부유 용융로를 점검하고 있다. [사진=한국원자력연구원]

한국과 미국 등 국제 공동연구팀이 양자컴퓨터 실현을 위한 전제조건 중 하나로 꼽히는 ‘오류율’을 ‘양자 소재’로 줄일 수 있다는 분석을 내놨다. 그간 과학자들은 오류 보정기술 등 소프트웨어적 방법에 기반한 해결책을 강구해왔으나 이번에 하드웨어적 해결책을 새로 제시한 것이다. 양자소재 개발은 전 세계적으로 연구 추진 사례가 많지 않아 성공할 경우 한국이 세계 양자컴퓨팅 시장을 선도하는데 기여할 것으로 기대된다.

김재욱 한국원자력연구원 첨단양자소재연구실 선임연구원팀은 ‘터븀인듐산화물(TbInO3)’이란 물질이 양자컴퓨터의 오류율을 잡는 소재로 쓸 수 있음을 실험적으로 증명해 국제학술지 ‘네이처 피직스’에 지난 17일 발표했다고 23일 밝혔다. 원자력연 외에 연세대와 한국과학기술원(KAIST), 미국 럿거스대 연구진이 연구에 참여했다.

양자컴퓨터는 양자 중첩, 얽힘이라는 양자 역학의 이론을 바탕으로 연산을 수행하는 장치다. 일반 컴퓨터는 정보 기본단위로 0과 1로 표현하는 비트를 쓰는 반면 양자컴퓨터는 1과 0을 동시에 다량으로 처리해 비약적으로 높은 연산 성능을 낼 수 있어 ‘꿈의 컴퓨터’로 불린다.

양자컴퓨터의 기본 정보단위인 큐비트는 00•01•10•11을 동시에 표현할 수 있다. 1, 0 또는 둘 다의 상태가 동시에 존재하는 ‘양자중첩’ 상태 덕분이다. 중첩을 유지하면 확률을 기반으로 계산을 실행해 복잡한 수학적 문제를 해결할 수 있다.

문제는 양자역학적 중첩과 얽힘 현상은 구현이 어렵다. 온도 변화, 불순물, 외부 전자기장 등 미세한 자극에도 연산 오류가 발생한다. 양자 상태를 안정적으로 만들려면 영하 273.13도에 이르는 절대영도에 가까운 극저온 환경을 구현해야 한다.

과학자들은 그간 이런 한계를 극복하기 위해 여러 오류 보정 기술 개발에 매달려왔다. 그러나 기술적 한계나 비용 증가 등 여러 제약이 존재한다.

연구팀은 양자컴퓨터를 구성하는 소재에 주목했다. 불순물이나 온도변화 등 내외부 자극에 양자상태가 교란 받지 않는 양자 소재를 개발하겠다는 것이다. 연구팀은 이런 소재로 쓸 수 있는 물질을 탐구했다. 그 결과, TbInO3 물질에서 양자 얽힘으로 발생하는 특정 현상을 발견하는데 성공했다. 연구팀은 “27도 수준의 상온에서도 이런 현상이 발생했다”며 “이 물질을 활용해 소재를 개발하면 상온에서 작동하는 양자컴을 실현할 수 있다”고 말했다.

양자 소재 개발은 미국 등 일부 국가들이 시도하고 있으나 아직 실제 소재를 만드는데 성공한 국가는 없다. 누가 먼저 개발하냐에 따라 상용 양자컴퓨터 시장을 선점할 수 있는 핵심 기술이 될 수 있다는 전망이 나온다. 한국이 뛰어들어 시장을 선점할 수도 있는 셈이다.

연구팀은 이번 연구를 바탕으로 TbInO3을 양자컴퓨터 소재로 실제 쓸 수 있는 연구를 이어갈 계획이다. 다만 정부 R&D 삭감 기조로 기존에 예정된 내년 예산 43억 원 중 1억 원 배정받은 상황이라 추가 연구가 쉽진 않다는 입장이다. 연구팀은 “양자 소재 연구는 향후 상온 양자컴퓨팅 구현에 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.