구성원 여러분

이국헌 전무의 단상을 등재합니다.

감사합니다.

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초전도체와 양자컴퓨터 그리고 미래

최근 LK-99라는 상온 상압 초전도체 물질에 대한 연구 결과를 국내 연구진이 발표하여 전세계 과학계가 떠들썩 합니다. 현재 국내외 연구기관 및 대학 연구소 등에서 관련 내용에 대한 검증 의견들이 나오고 있는데, LK-99가 초전도체인지에 대해서 회의적인 의견이 주류를 이루는 것 같습니다. LK-99의 초전도성을 입증할 수 있는 객관적이고 명확한 근거가 여전히 없다는 것이 회의론의 핵심 이유인데, 아직 단정적으로 부정하는 것은 아니어서 LK-99가 해프닝으로 끝날 것인지는 좀 더 지켜봐야 할 것 같습니다.

초전도 현상은 어떤 물질을 특정 임계온도 이하로 냉각시켰을 때 전기저항이 정확히 “0”이 되고 외부 자기장을 밀쳐내는 현상이 생기는 것을 지칭합니다. 이 현상은 1911년 네덜란드의 카메를링 오너스가 액체 헬륨을 이용한 극저온 실험을 하던 중 발견하였고, 이후 관련 연구가 진행되면서 오너스를 포함하여 여러 과학자들이 노벨상을 받은 연구 주제입니다. 초전도 현상이 일어나는 소재를 초전도체라고 하는데, 1986년 IBM 취리히 연구소에서 절대온도 35도에서 초전도체로 변하는 금속 산화물을 발견한 이후 더 높은 임계온도를 갖는 물질을 발견하려는 연구가 계속 진행되었고, 이는 초전도체의 상업적 활용 가능성을 크게 높이게 됩니다. 대표적인 것이 외부 자기장이 초전도체 내부를 침투하지 못하는 마이스너 효과를 이용한 초전도 자석의 개발과 응용입니다. 자기부상열차, 자기공명영상장치(MRI) 등이 초전도 자석을 응용한 개발품입니다. 미래 에너지인 핵융합발전에도 초고온의 플라즈마를 가두기 위해 초전도자석이 활용됩니다.

초전도 소재를 활용한 전력케이블은 송전 중 전력 손실을 최소화해서 송전 능력을 20% 이상 높일 수 있습니다. 또한 양자컴퓨터를 개발하는 데에도 초전도 소재가 이용됩니다. 초전도 현상이 일어난 물질의 전자가 양자중첩 상태인 것을 이용하여 초전도 현상이 일어난 회로에 전자기파를 쏘아 전류의 양자중첩을 이용하여 양자비트 구현하는 것입니다. 현재까지 개발된 초전도 소재는 매우 낮은 임계온도 조건을 필요로 하기 때문에 상용화에 큰 장벽이 되었는데, 상온 상압 초전도체 물질에 대한 연구발표가 나오니 과학계와 관련 산업계에 미치는 파장이 엄청날 수 밖에 없었을 것입니다. 특히 초전도체가 양자컴퓨터의 개발과 밀접한 관련이 있기 때문에 LK-99의 초전도성에 대한 검증 결과에 대해 큰 관심을 가지고 지켜보고 있습니다.

양자컴퓨터는 전통적인 컴퓨터와는 달리 양자역학 원리를 기반으로 한 혁신적인 컴퓨팅 기술입니다. 전통적인 컴퓨터가 이진수인 0과 1의 상태를 사용하는 반면, 양자컴퓨터는 “양자 비트(Quantum Bit)” 줄임말로 “큐비트(Qubit)”를 사용합니다. 이 큐비트는 전통적인 비트와는 달리 0과 1 두 가지 값을 동시에 가질 수 있습니다. 이러한 현상을 "양자 중첩(Quantum Superposition)"이라고 하는데, 이 원리를 이용한 양자컴퓨터는 병렬 계산을 가능하게 하여 기존의 컴퓨터와 구별되는 강력한 연산 능력을 제공합니다. 또한 두 개 이상의 양자 시스템이 서로 긴밀한 관계를 형성하여, 한 시스템의 상태 변화가 다른 시스템에도 즉각적인 영향을 미치는 현상을 “양자 얽힘(Quantum Entanglement)”이라고 합니다. 양자 얽힘을 활용한 양자컴퓨터의 작동 원리를 이용하면 정보 전달을 빠르게 하고 처리 속도를 높일 수 있습니다. 큐비트가 얽힐수록 처리 가능한 정보량은 제곱으로 늘어나며, 100 큐비트일 경우 2의 100제곱 상태로 데이터를 처리하게 됩니다. 구글이 개발한 53 큐비트 양자컴퓨터는 특정 연산에서 기존 슈퍼컴퓨터가 수천년 이상 걸리는 것을 단 3분 정도에 처리하는 결과를 보여주었다고 합니다.

현재 양자컴퓨터 분야에서 선두를 달리고 있는 기업은 IBM입니다. IBM은 이미 210개 이상의 포춘 500대 기업과 대학, 연구소 등으로 구성된 IBM 퀀텀 네트워크를 구축하였고, 이미 100 큐비트 이상의 양자컴퓨터로 기존의 컴퓨터로는 할 수 없는 일을 수행함으로써 양자 효용 규모에 도달했다고 발표하였습니다.

최근 생성형 AI로 주가를 올리고 있는 마이크로소프트는 화학 회사가 신소재를 연구하고 개발 속도를 높일 수 있도록 돕는 “애저 퀀텀 엘리먼트(Azur Quantum Element)”와 양자 기술에 인공지능을 적용한 “애저 퀀텀 코파일럿(Azur Quantum Copilot)”을 소개했습니다. 애저 퀀텀 엘리먼트는 특정 화학 시뮬레이션 속도를 50만 배까지 높여 1년이 걸리는 연산을 1분으로 줄이며, 수천 개의 신소재 후보를 수천만 개로 확장할 수 있다고 합니다. 애저 퀀텀 코파일럿은 화학 및 재료과학 연구를 지원해 기존 방식보다 연구기간을 10분의 1로 줄일 수 있을 것으로 전망하고 있습니다.

구글, 마이크로소프트, IBM 등은 별도의 시설 환경에서 구축되는 양자컴퓨터를 개발하고 있는 반면, 인텔은 수십 년 간 쌓아온 반도체 설계 및 제조 전문성을 앞세워 상용 가능한 양자컴퓨터 시스템 구축을 목표로 하고 있습니다. 올해 12 큐비트 실리콘 칩인 “터널 폴스(Tunnel Falls)”를 공개하고 양자 연구 커뮤니티에 이를 제공하기 시작했습니다. 인텔은 2024년까지 터널 폴스를 기반으로 하는 차세대 양자 칩을 선보일 예정이며, 이를 기반으로 더 많은 양자 생태계를 구축할 계획을 가지고 있습니다.

양자컴퓨터는 기존의 컴퓨터보다 높은 성능과 병렬 처리 능력 덕분에 다양한 분야에서 혁신적인 결과를 가져올 것으로 기대하고 있습니다. “암호화, 인공지능, 화학, 최적화 문제, 금융, 재료과학, 기상예측, 기후 모델링” 등과 같은 분야에서 양자컴퓨터의 잠재력이 크게 발휘될 것으로 전문가들은 예상하고 있습니다. 이 중에서 최적화 문제 분야의 능력은 건설산업에 적용하였을 때 “개발기획, 설계 및 엔지니어링, 비용 예측, 에너지 사용, 조달 및 시공 프로세스” 등에서 혁신적인 결과를 만들어낼 수 있을 것으로 예상됩니다.

아직까지는 양자컴퓨터가 실험적인 단계와 상용화 초기 단계에 걸쳐 있지만, 양자 컴퓨팅 기술이 본격 상용화되고 최근 비약적인 발전을 하고 있는 인공지능 기술과 결합이 되면 미래 사회에 어떤 변화를 가져오게 될 지는 예상하기 쉽지 않습니다. 여러 전망 중에는 과거 컴퓨터의 발명이 가져온 정보화 혁명 이상의 문명 발전을 가져올 수 있다는 전망도 있는 것을 확인할 수 있었습니다.

양자컴퓨터의 상용화를 위해 해결해야 하는 주요 과제 중 하나는 큐비트의 안정성과 오류를 해결하는 것이라고 합니다. 현재 양자컴퓨터는 큐비트의 안정성을 보장하기 어렵고, 오류가 높은 경우가 많습니다. 이러한 오류를 줄이고 안정성을 확보하는 것이 중요한 과제입니다. 또한, 양자컴퓨터의 제작 및 운영 비용도 여전히 매우 높은 상태로 현재 고가의 실험실 장비로 개발되고 있어서 일반적인 상용화에는 비용적인 한계가 있습니다. 현재 몇 종류의 서로 다른 양자 플랫폼으로 양자컴퓨터가 개발되고 있지만, 상온 상압 초전도체 소재의 개발은 양자컴퓨터의 상용화를 위한 확실한 게임 체인저가 될 수도 있을 것입니다.

증기기관의 발명이 제조 생산성의 혁명을 가져왔고, 컴퓨터와 인터넷의 발명이 정보화 혁명을 가져왔다고 평가합니다. 양자컴퓨터와 인공지능의 발명은 미래의 인류에게 어떤 혁명을 가져올까요? 해프닝으로 끝날 수도 있는 상온 상압 초전도체 연구 관련 기사를 읽으면서 인류의 미래에 엄청난 영향을 미칠 수 있는 기술이 작은 실험실에서 시작될 수도 있겠구나 하는 생각이 들었습니다. 이번 이슈를 다루는 언론 기사의 깊이에 아쉬움이 많으므로 관련 정보를 찾아보면서 이슈의 내용과 의미에 대해서 생각해 보는 시간을 가져보시면 좋겠습니다. 

감사합니다.

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감사

행복은 나와 그대 사이에 있지
비가 오면 비가 와서 감사하고
해가 뜨면 해가 떠서 감사한 오늘

익숙한 것들
당연하다고 믿었던 존재에 스민
무한한 축복을 떠올리는 오늘은
그저 여기 있는 것만으로도 고마워

내 삶을 지탱해 주는 기억의 주춧돌 위로
움트는 여린 잎새
스며드는 봄볕이 나도 모르는 사이
지친 하루를 눈부신 기적으로 변하게 하네

익숙한 자리를 묵묵히 내주는 길모퉁이에 서서
축복 받을 일들을 헤아리며
마음 밭을 가꾸는 궁극의 말 가득 담아 너에게 보낸다

자신의 길 위에서 마주치는 모든 것에 감사한 날
두툼한 구름 사이로 슬며시 새어 나오는
한 줄기 햇빛처럼 눈부신 향기로운 그 말